基于Alq:DCJTI薄膜的光泵浦650 nm微腔激光

张 镭，李颜涛，林 杰，刘星元*

(1.发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033;2.中国科学院大学，北京 100049)

1 引 言

自从Sorokin和Lankard在1966年首次报道了基于有机材料的染料激光器以来，有机激光已经取得了长足的进步。早期染料激光器的激光工作物质是具有共轭结构的有机小分子材料。它们通常具有较大的光吸收系数、宽的荧光光谱和高的荧光量子效率，因此染料激光器很容易实现可调谐激光，输出功率和转换效率都比较高，广泛应用在科学研究、医疗生物等领域［1-4］。由于有机小分子染料的热稳定性不佳以及浓度猝灭问题，这些染料都需要溶解在一定的溶剂中或分散到固态绝缘的聚合物材料中才能成为有效的激活介质。

1992年，美国加州大学的Daniel Moses采用聚合物MEH-PPV材料的二甲苯溶液作为工作物质实现了光泵浦激光［5］，这是染料激光器首次拓展到聚合物材料体系。1996年，英国剑桥大学的Friend小组将聚合物薄膜放入光学微腔中观察到了光泵浦激光，这是首次在能导电的有机半导体薄膜中观测到激光现象，因此引起了人们极大的兴趣，掀起了有机半导体激光的研究热潮［6］。1997年，普林斯顿大学的Forrest小组在主客体掺杂的有机小分子薄膜中观察到了光泵浦激光现象［7］。这类薄膜利用主客体间的能量传递，有效地避免了材料的荧光浓度猝灭效应，减小了自吸收损耗，因此可以使激光的阈值大幅降低［3，8］。这类薄膜一般采用多源真空热蒸发技术制备，具有很高的光学质量。

有机半导体材料作为一种准四能级激光系统，受激发射几率较高，增益谱较宽。有机分子中的激子属于Frankel激子，这类激子具有较大的束缚能(～500 meV)和温度稳定性，因而激光输出的性能参数随温度的变化较小。上述优点有利于发展性能参数有较高温度稳定性的可见光激光器和低成本的可调谐激光器件，预期可应用在塑料光纤通信、生物医疗检测和集成光子回路等很多领域［9-11］。其中，塑料光纤(POF)系统由于具有质量轻、造价低、柔韧性和拉伸性能强、占用空间小、安装维护方便等优点，是短距离通信网络的理想传输介质，在生活小区、办公室、车载和机载通信网等领域具有重要的应用前景［12］。650 nm波长的半导体激光器作为光源是塑料光纤通信中的关键器件，目前其生产成本仍然较高。因此，低成本、高性价比的650 nm的激光器的开发具有很大的应用价值［13］。本文采用主客体掺杂的 Alq:DCJTI有机小分子材料体系，利用微腔结构，在光泵浦条件下实现了波长650 nm的有机激光。

2 实 验

微腔器件的结构为Glass/底部反射镜(Bottom DBR)/有源层/顶部反射镜(Top DBR)。底部反射镜由Ta2O5和SiO2两种材料构成。顶部反射镜由ZnS和MgF2两种材料构成。Ta2O5、SiO2、ZnS和MgF2均从北京有色金属研究院购买，纯度为99.99%。试验中，首先利用电子束镀膜机在抛光的k9玻璃上制备底部反射镜。蒸镀底部反射镜时，工作真空度为5×10-3Pa，衬底温度为200℃。Ta2O5的蒸发速率控制在 0.10 ～0.2 nm·s-1，SiO2的蒸发速率控制在0.3～0.6 nm·s-1。底部反射镜制备完成以后，再依次制备NPB和Alq:DCJTI有机层，工作真空度为5×10-4Pa，蒸发速率控制在0.15 ～0.25 nm·s-1，衬底温度为常温。有源层制备完毕后传递到电子束镀膜机中制备顶部反射镜。顶部反射镜的制备温度为常温，工作真空度为5×10-3Pa，MgF2的蒸发速率控制在0.10 ～0.2 nm·s-1，ZnS的蒸发速率控制在为0.3 ～0.6 nm·s-1。

样品的吸收光谱由Shimadzu UV-3101PC紫外-可见分光光度计测得。荧光光谱由Hitachi公司的F4500荧光光谱仪测量。反射镜以及器件的反射光谱由Avantes光纤光谱仪系统测得。泵浦光源采用三倍频的Nd:YAG脉冲激光器，激发波长为355 nm，频率为1～10 Hz，脉宽为10 ns。测试时，泵浦光由45°分光镜分为两束光，一束聚焦在Newport功率计探头上，另外一束聚焦到测试样品上。泵浦光强度由中性密度滤光片控制。样品发射光谱由Ocean Optics公司的Maya 2000光纤光谱仪测量。泵浦光强度由Newport公司的2936C激光功率计测量。所有测试均在室温大气条件下进行。图1给出了实验测试光路图。

图1 有机微腔激光器的实验测试光路图Fig.1 A schematic diagram of experimental test

3 结果与讨论

微腔的谐振波长满足Fabry-Perot方程:

其中φ2和φ1分别为两个反射镜的反射相移，λ是与微腔的腔模式对应的出光波长，ni和di为腔内各层介质的折射率和厚度，θ是外部探测角，m是由整数表示的模式数。该方程说明微腔器件的谐振光波满足在腔内往返一周相位的变化为2π整数倍的条件。本文利用传输矩阵法对650 nm发射波长的有机微腔进行了模拟［14］。底部反射镜由 14.5个周期、厚度为、交替生长的Ta2O5/SiO2构成，中心波长 λ为650 nm。其中Ta2O5的折射率为2.29，厚度为71.1 nm;SiO2的折射率为1.46，厚度为106.4 nm。顶部反射镜结构由5.5个周期、厚度为、交替生长的ZnS/MgF2构成，中心波长为650 nm。其中ZnS的折射率为2.3，厚度为70.6 nm。MgF2的折射率为1.38，厚度为117.9 nm。有源层的结构为NPB/Alq:DCJTI，其中 NPB 的折射率为 1.82，厚度为95.47 nm。Alq:DCJTI的折射率约为1.73，厚度为102.3 nm。

图2给出了模拟的腔内光场的强度分布图，可以看出Alq:DCJTI膜层位于650 nm的驻波光场的波峰位置，表明Alq:DCJTI作为激活介质将具有较大的增益。图3为Alq:DCJTI薄膜的吸收和荧光光谱。样品在蓝光波段有一个位于452 nm的吸收峰，主要是来自Alq分子的基态S0到其第一激发态S1的能级跃迁。样品的光致发光(PL)峰位于619 nm，主要是来自DCJTI分子的第一激发态S1到其基态S0的能级跃迁。

图2 腔内650 nm光场的强度分布(虚线表示Alq:DCJTI膜层的位置)Fig.2 Intensity distribution of light field at 650 nm in microcavity(dash line shows the position of Alq:DCJTI layer)

图3 Alq:DCJTI薄膜的吸收光谱和荧光光谱Fig.3 Absorption and PL spectra of Alq:DCJTI film

图4 底部和顶部反射镜的反射光谱Fig.4 Reflectance spectra of bottom and top DBRs

图4给出了测量的底部和顶部反射镜的反射光谱。可以看出，虽然两个反射镜的中心波长有一定的差异，但是底部和顶部反射镜在650 nm附近的反射率都接近99%。图5所示为在顶部反射镜一侧测量得到的微腔激光器的反射光谱。高反区截止带中间位置的透射峰代表微腔的谐振模式位置，因此，所制备的微腔器件的谐振波长在649 nm左右，与设计的波长位置基本吻合。我们对微腔样品在光泵浦下的出光性能进行了测试。图6为微腔激光器件的输出光强和半高全宽(FWHM)随着泵浦功率的变化。可以看出，在紫外脉冲激光的泵浦下，器件具有非常明显的阈值现象。在低强度脉冲泵浦下，样品的发射峰在650 nm左右，光谱的FWHM为4.7 nm。随着泵浦光强度的逐渐增加，样品光谱的FWHM逐渐窄化。测量得到的激光阈值约为110 W·cm-2。阈值前后的微腔的发射光谱峰值基本没有变化，阈值后的最小半宽约为3.2 nm。为了更容易观察光谱的变化，本实验中设计制备的顶部反射镜的反射率偏低。在进一步的实验中，如果增加顶部反射镜的周期数量，提高其反射率，则可以获得FWHM更小的微腔激光光谱。测量得到的阈值后微腔器件的激光光谱见图7。

图5 微腔激光器的反射光谱Fig.5 Reflectance spectrum of the microcavity laser

图6 微腔激光器件的输出强度和FWHM随着泵浦功率的变化曲线Fig.6 FWHM and output intensity of the microcavity laser as a function of pumping intensity

图7 阈值后的微腔激光器件的激光光谱Fig.7 Output spectrum of the microcavity laser after threshold

4 结 论

利用掺杂的有机小分子材料体系Alq:DCJTI作为有源层，以平面光学微腔作为谐振腔，采用激发波长为355 nm三倍频的Nd:YAG脉冲激光器作为泵浦源，研究了Alq:DCJTI微腔的光泵浦激光性能。实验中可以测量得到明显的阈值，约为110 W·cm-2。激光的波长位于650 nm，FWHM可从4.7 nm窄化到3.2 nm。

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