基于液晶/聚合物光栅的高转化效率有机半导体激光器∗

刘丽娟 孔晓波 刘永刚 宣丽

1)(曲阜师范大学物理工程学院,曲阜 273165)2)(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,长春 130033)

(2017年4月12日收到;2017年8月26日收到修改稿)

1 引 言

自1992年,Moses首次抽运共轭聚合物溶液观察到激光出射现象[1],有机半导体(organic semiconductor)发光材料由于其具有成本低、宽吸收谱和发射谱、高增益等优点被广泛应用于激光器中[2−4].有机半导体激光器(organic semiconductor lasers,OSLs)可应用于光谱仪的光源、化学传感器以及光学开光等领域[5,6].但是,OSLs还存在着一些问题,其中最突出的是高阈值和低转化效率.高阈值使得OSLs只能采用体积较大、价格昂贵的脉冲激光器作为抽运源,而低转化效率会造成抽运光的极大浪费.分布反馈式(distributed feedback,DFB)OSLs因具有出射激光线宽窄、阈值低、波长选择灵敏度高等优点成为研究的重点.目前,DFB OSLs的制备主要采用电子束蚀刻、纳米压印、反应离子蚀刻等方式[7−9].电子束蚀刻和反应离子蚀刻工艺复杂,纳米压印虽然工艺简单,但是制备出的激光器阈值非常高[10−12].并且常见的DFB OSLs结构中,有机半导体层既是增益介质层也是折射率调制层[2,13],这使得激光器的耦合机制十分复杂,不利于研究激光器各个参数对出射激光的影响.

我们采用有机半导体层作为激光器的增益介质层,液晶/聚合物(holographic polymer dispersed liquid crystal,HPDLC)光栅作为外部反馈层,这样的一种分离式结构可以对激光器的参数进行独立控制.HPDLC光栅具有制备简单、成本低、散射损失小等优点,可作为激光器优良的谐振腔.将包含光敏单体和液晶的预聚物置于干涉光场中,光敏单体在干涉条纹亮区聚合,形成的聚合物把液晶分子挤压到暗区,由于存在浓度梯度,暗区的单体移动到亮区继续聚合,最终形成聚合物层和液晶层交替排列的周期结构,即HPDLC光栅[14−16].

在HPDLC光栅中,相分离出的液晶分子沿着光栅矢量方向排列,反馈光的折射率调制量取决于聚合物层的折射率np与液晶分子折射率no的差值,由于两者折射率值相近,所以光反馈不强[17].本文采用低官能度光敏单体制备的HPDLC光栅作为DFB OSL的外部反馈层,聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)作为增益介质,通过研究影响液晶分子取向的因素,发现当光栅周期在375–425 nm之间时,相分离出的液晶分子沿着光栅沟槽方向排列,此时光栅的折射率调制量增大,光反馈得到增强.采用周期为395 nm的HPDLC光栅制备激光器,出射激光的性能得到极大的提升,相比采用周期为593 nm的光栅制备的激光器,转化效率从2.5%提高到6.3%,阈值从0.70µJ/pulse降低至0.18µJ/pulse.

2 实 验

2.1 样品的制备及实时衍射效率的测量

为了实时监测光栅的衍射效率,在制备光栅的过程中,将633 nm的激光以光栅的布拉格角入射,如图2所示,光栅的一级衍射光经偏振分束棱镜后分为p偏振光和s光偏振光,分别由探测器1和探测器2接收.

图1 (网刊彩色)有机半导体HPDLC光栅激光器的制备流程Fig.1.(color online)Fabrication process of OSL based on HPDLC grating.

图2 (网刊彩色)光栅制备及衍射效率测试图Fig.2.(color online)Optical setup for fabrication and characterization of the HPDLC grating layer.

2.2 激光抽运及测试

Nd:YAG倍频脉冲激光器(532 nm,8 ns,1 Hz)为抽运源,分束棱镜将抽运光分为能量相同的两束,其中一束抽运光的能量由能量计直接探测,另一束由柱面镜聚焦为沿光栅矢量方向的细条纹(5 mm×0.1 mm)抽运样品.样品出射的激光能量由高灵敏度的LabMax-TOP能量计测量,出射激光波长、半高全宽等信息由光谱仪(分辨率为0.3 nm)测量.

3 结果与分析

3.1 HPDLC光栅的实时衍射效率

设光栅矢量方向为x方向,垂直光栅表面方向为y方向,如图1所示,光栅p光和s光的衍射效率公式可以表示为[13]

式中,nave为光栅的平均折射率,λ0为探测光波长,d为光栅厚度,ε1i(i=x,y,z)为光栅相对介电系数调制张量对角线上的量,θB为布拉格角(小于15°).(1a)和(1b)式可以简化为

由(2a)和(2b)式可知,光栅p光和s光衍射效率的大小与液晶分子的取向有关,当ηp≫ηs时,绝大多数液晶分子沿着x轴(光栅矢量)方向排列;当ηp≪ηs时,绝大多数液晶分子沿着z轴(光栅沟槽)方向排列.

制备了不同周期的HPDLC光栅,光栅制备完成后分别测量其衍射效率,结果如图3所示.当光栅周期大于525 nm时,ηp/ηs＞10,此时液晶分子沿着光栅矢量方向排列,液晶层与聚合物层折射率相近,光栅折射率调制量小,光反馈不强.当光栅周期在375–425 nm之间时,ηp/ηs＜1/10,液晶分子取向发生变化,沿着光栅沟槽方向排列,此时液晶层的折射率为ne,与聚合层的折射率差值变大,光栅反馈能力增强.当光栅周期为425–525 nm时,ηp与ηs相差不大,液晶分子一部分沿着光栅矢量方向排列,一部分沿着光栅沟槽方向排列.同时,注意到当光栅周期小于375 nm时,ηp与ηs都变得很小,光栅性质减弱,当光栅周期小于300 nm时,ηp与ηs均为0,此时不再是真正意义的光栅.

在光栅中,丝状聚合物的锚定和光栅沟槽的作用力同时影响液晶分子的取向,丝状聚合物是少量光敏单体在向干涉条纹亮区扩散过程中形成的,因此它们横在相邻的两个聚合物层之间,将液晶分子锚定在光栅矢量方向,其锚定能为[20]

其中,n为丝状聚合物的浓度,A为液晶分子和丝状聚合物间的作用能,R为与光栅周期成正比的聚合物支架半径.光栅沟槽的作用力使液晶分子沿着光栅沟槽方向排列,可以表示为[21]

其中,H为光栅槽的高度,K为液晶的弹性常数,Λ为光栅周期.从(3)和(4)式可以看出随着光栅周期的变化,这两种作用力是一个此消彼长的过程,这就不难理解不同周期的光栅中液晶分子取向不同的现象.此外,采用低光能度的光敏单体制备光栅,形成的丝状聚合物少,可进一步减弱丝状聚合物的锚定能.

图3 不同周期光栅的s偏振和p偏振衍射效率Fig.3.Diffraction efficiencies for s polarization(square)and p polarization(sphere)for gratings with different periods,respectively.

3.2 Δn对激光器性能的影响

光栅反馈有效程度可以用耦合强度系数表示[22]:

其中,λlas为反馈激光的波长,Δn为折射率调制量.可以看出Δn越大,光栅耦合强度越大,越有利于光反馈.根据Kogelnik各向异性耦合波理论[23],折射率调制量Δn表示为

图4(a)和图4(b)分别为光栅周期为593 nm(大周期)和周期为395 nm(小周期)的样品的实时衍射效率测量图,从图4可以看出两者衍射效率大不相同:随着光栅中相分离的进行,大周期样品的p光衍射效率逐步大于s光衍射效率,最终稳定的p光衍射效率为56.9%,s光衍射效率为1.4%;而小周期样品不同偏振的实时衍射效率却相反,小周期样品最终稳定的p光衍射效率为1.7%,s光衍射效率为57.1%.通过(6)式可以计算出大周期样品的Δn为0.0036,小周期样品的Δn大大提高,为0.0225.

图4 (网刊彩色)光栅s偏振和p偏振实时衍射效率 (a)光栅周期为593 nm;(b)光栅周期为395 nmFig.4.(color online)Real time diffraction efficiencies for p polarization(square)and s polarization(sphere)for:(a)Grating with period of 594 nm;(b)grating with period of 395 nm.

3.3 激光光谱特性

根据MEH-PPV的出光特性,我们制备的样品出光大约在630 nm左右,此处MEH-PPV的增益最强[24].出射激光波长λ满足布拉格方程:mλ=2neffΛ,其中,m为布拉格级次,neff为有效折射率,Λ为光栅周期.分别抽运大周期和小周期样品,并测量其出射激光,此时大周期样品的布拉格级次为3,而小周期光栅的布拉格级次为2.在光栅耦合过程中,由于在光栅矢量方向要满足动量守恒,因此波矢要满足以下条件[24]:

式中θo为出射光于玻璃基板法线的夹角.对于大周期样品,出射激光满足3λ=2neffΛ,代入(7)式可以得到

由于|sinθo|≤1,neff≈1.60,m′只可以取1或者2,因此可以得到

从(9)式可以得知,大周期光栅制备的激光器存在相互对称的四束出射激光,且每束激光方向与基板法线呈32°夹角.同理对于小周期光栅,激光垂直于基板表面发出,且存在前后两束.

图5 出射激光的能量转化图 (a)光栅周期为593 nm,插图为630.0 nm处的光谱图;(b)光栅周期为395 nm,插图为632.2 nm处的光谱图Fig.5.Lasing output intensity as a function of pump intensity for the DFB laser:(a)Sample with grating period of 593 nm;(b)sample with grating period of 395 nm.The insets show the corresponding lasing.

图5为出射激光的能量转化图,对应插图为其光谱图.光栅大周期样品的阈值为0.70µJ/pulse,转化效率为2.5%,相应的激光波长为630.0 nm,半高全宽为0.6 nm.光栅小周期样品的阈值为0.18µJ/pulse,转化效率为6.4%,相应的激光波长为632.2 nm,半高全宽为0.5 nm.采用小周期光栅制备激光器,出射激光的性能得到了很大的提升,阈值降低约为原来的1/4,转化效率提高了接近3倍.

4 结 论

本文采用有机半导体MEH-PPV作为增益介质,低官能度光敏单体制备的HPDLC光栅作为外部反馈腔制备了DFB OSL.决定液晶分子取向的主要有两种与光栅周期有关的作用力,利用这一原理,采用小周期光栅制备激光器,光栅中液晶分子沿着光栅沟槽方向排列,光栅的折射率调制量增加,从而增强了光反馈,最终出射的激光阈值降低至0.18µJ/pulse,转化效率提高到6.4%.这一工作为提高OSL的出光性能提供了新思路,推动了OSL的实用化进程.

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