《有机激光简介》PPT课件.pptx

有机激光简介 TheintroductionofOrganicLaser CONTENT 1 激光简介 2 激光的基本组成及工作原理 3 激光特性表征 4 光泵浦有机激光 5 电泵浦有机激光 激光简介 一 激光的诞生激光发明的理论基础可以追溯到1917年爱因斯坦在研究光辐射与跃迁之间的关系时提出的受激辐射概念 关于辐射的量子理论 一文中 详细研究了光与物质相互作用过程 特别是吸收 自发辐射 受激辐射这三种基本作用形式 导出了著名的爱因斯坦关系式 使受激辐射理论上升到了定量的高度 奠定了激光的基础理论 1 激光简介 激光简介 二 激光的发展1954年 CharlesH Townes 美国 NikolaiBasov 苏联 等人发明了氨分子微波受激辐射放大器 Maser 利用原子分子的受激辐射来放大电磁波 这一突破性进展为激光的发展铺平了道路 激光简介 三 激光的应用在微波激射器发明了之后 美国Hughes公司的T H Maiman于1960年发明了第一台激光器 从此以后 各种激光器层出不穷 竞相发展 包括气体激光 液体激光 半导体激光 原子激光等 激光的出现引发了科学与技术的革命 激光改变了光谱 赋予了物理和化学研究领域前所未有的启示 被用于各个技术领域 比如 超快激光的出现 使人类研究光化学和光物理领域的超快过程成为可能 高能激光的出现使精细加工能力有了质的飞跃 无机半导体激光的出现使光通信及高密度光存储成为现实 激光被广泛应用于医疗 远程通讯 国防等领域 激光简介 四 有机材料在激光中的应用在激光出现的第一个十年内 有机材料就表现出了重要的作用 首先被广泛应用于染料激光 这点与OTFT和OLED很不同 它们是在无机半导体器件出现很多年之后才引起人们注意 染料激光中 利用有机材料较宽的光谱特性 实现了可调激光和短脉冲激光 染料激光通常利用染料溶液 属于液体激光 1967 有机固体激光1972 有机小分子单晶激光1974 纯粹小分子蒽单晶发光1996 固体有机聚合物激光21世纪 有机半导体材料 激光的基本组成及工作原理 2 激光的基本组成及工作原理 激光具有高单色性 高方向性 高相干性 以及高亮度的特点 其产生有3个必要条件 1 存在光增益介质 该物质不但需要有很强的自发辐射特性 其能级结构特点还必须有利于产生高能级上的粒子数反转 2 提供适当的外界激发源 能够使光增益介质产生激发态 3 有光谐振腔 使光增益物质产生的辐射能够限制在谐振腔内 并在谐振腔内形成自激振荡 常见的激光器泵浦源包括以下几种 1 光泵浦 利用外界光源来照射激光物质 通常由气体放电光源 氙灯 氪灯等 和激光器组成 另外半导体激光器也可以作为其他激光的泵浦源 2 电泵浦 通过电加载的方式使活性物质产生激发态 包括气体放电激发 气体激光器 载流子注入激发 半导体激光器 粒子加速器激发 3 化学泵浦 利用活性物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数的反转 受激辐射产生示意图 激光的基本组成及工作原理 激光的基本理论激光产生条件 粒子数反转作为激光活性物质 必须要有较强的自发辐射特性 并且能够在辐射跃迁的高低能级之间产生粒子数反转 实现粒子数反转 对材料的能级有特殊的要求 对于吸收和辐射都限制在两个能级的系统 受激辐射速率与光吸收速率相等 高能级上的粒子不可能多于低能级 因此不可能出现粒子数反转 这样的物质不适合作为激光材料 而具有三能级和四能级的系统都有可能实现粒子数反转 可作为激光活性物质 如图所示 三能级系统 四能级系统 激光的基本组成及工作原理 粒子数反转条件符号说明 2 21和 12分别代表体系中的原子在单位时间内自发辐射 受激辐射与受激吸收的光子数密度N1 N2表示基态E1与激发态能级E2上的粒子 原子 数密度 A21 爱因斯坦自发辐射系数 也叫自发辐射概率 为表征体系本身性质的物理量B21 爱因斯坦受激辐射系数B12 受激吸收系数 入射到体系中的外加电磁辐射的能量密度 自发辐射受激吸收 E2 E1 体系的三个特征量A21 B21和B12之间不是彼此孤立的而是存在密切关系 相同时间内吸收与辐射过程必平衡 即 2 21 12麦克斯韦 玻尔兹曼分布 其中Ni是平衡温度T时 处于状态i的粒子数目 具有能量Ei和简并度 N是系统中的总粒子数目 k是玻尔兹曼常数 普朗克黑体辐射公式 8 2 3 1 B12g1 B21g2在E2与E1非简并 g1 g2 1 或简并度相等的情形 B12 B21即爱因斯坦的受激辐射与受激吸收速率相等 由此可得受激辐射与受激吸收的光子数密度之比为 21 12 2 1 e 上式中 如取与可见光相应的光子能量 在室温下的比值为10 42量级 可见对热平衡体系 受激吸收过程与自发辐射过程互相平衡 受激辐射过程实际上不起作用 要形成受激辐射的光放大 必须对体系提供能量 使体系处于非平衡态 外加能量将粒子由基态抽运到激发态而实现粒子数反转 即 N2N1 1 3 激光特性表征 激光特性表征 1 输出频率及波长由激光器中输出的光子流在空间的分布可分横向和纵向两部分 通常将波的传播方向称为纵向 该方向激光输出的模式称为纵模 而与波的传播方向垂直的方向称为横向 该方向上对激光输出模式的描述称为横模 横模与纵模共同构成了激光的输出 激光纵模包含的基本信息之一是激光的频率 波长 激光活性物质的发射光谱 其中 n2和n1分别为高能级和低能级上粒子数密度 二者之差为粒子反转数密度 激光特性表征 激光输出强度随泵浦能量的增大而线性增大 激光特性表征 4 激光增益材料的放大自辐射特性激光增益介质即激光材料 是激光器中最重要的组分 如果不用制备激光器 就能够对材料是否有光增益特性进行判断 将大大方便激光材料的筛选 材料的放大自辐射 amplifiedspontaneousemission ASE 研究 就是评价材料光增益特性方法中比较方便的一个 激光特性表征 光泵浦有机激光 4 光泵浦有机激光 以有机材料为光增益介质的激光可称为有机激光 有机激光材料一般都包含 共轭电子结构 通常要求有很强的光发射特性 同时其吸收和发射光谱之间要有较大的Stoke位移 另外 还必须有良好光热稳定性 有机激光的能级结构可看作四能级系统 通常包括低能级和高能级两个电子能级 其中的每一个电子能级又可以细分为由很多振动能级组成的亚能级 这些亚能级之间大约有0 2eV的能量间隔 如下图所示 有机激光材料的四能级系统示意图 CONTENT 从分子结构特点上考虑 有机激光可分为有机染料激光和有机半导体激光两类 1 有机染料激光有机染料分子通常是指在紫外到可见光范围内有很强吸收特性的含有共扼双键体系的有机小分子 这类有机材料由于很强的可见光吸收特性而显现出不同的颜色 可作为染料 同时 它们也表现出很强的受激辐射特性 具有很高的光致发射量子效率 发光范围涵盖近紫外到红外 因此 利用有机染料 可实现可见光谱范围的激光输出 目前染料激光的技术已经非常成熟 在光化学 光生物 光谱学 同位素分离 全息照相和光纤通信中都有广泛的应用 但是 染料激光器中 有机染料通常以溶液或者蒸汽形式工作 并且只能以光泵浦的方式激发 光泵浦有机激光 光泵浦有机激光 2 有机半导体激光虽然有机染料激光具有可调光谱范围宽 输出功率高 吸收和增益容易控制 可产生连续波 CW 或超短波 P劝输出等优点 但是由于染料激光器大都为液体激光 因此操作 运输和存储都很不方便 另外有机染料都不具有导电性 只能采用光泵浦的形式产生激光 与染料激光器相比 有机半导体材料除了具有有机激光染料的优点 高发光效率 可视为四能级系统等 外 还具有比较高的固态发光效率 能够传输载流子 容易制备高品质薄膜等优点 因而在激光应用方面受到广泛关注 同时 基于有机半导体材料的导电性 有机半导体激光器存在电泵浦的可能性 与无机半导体激光器相比 虽然有机半导体和无机半导体材料都能够有很强的固体发光效率 都能输运载流子 但是 它们之间有明显的差别 一般有机半导体薄膜结构的无序性导致了其载流子迁移率的低下 有机半导体薄膜材料中激子寿命远远低于无机半导体 而有机半导体的种类和数量也远远多于无机半导体材料 且可以根据光 电 热等性能要求进行分子设计 有机半导体固体器件的制备工艺比无机半导体简单和廉价 另外有机半导体材料中的激子结合能比无机半导体中大很多 以至于热激发 kBT 不能够将其解离 因此基于有机半导体的激光器的阈值受温度影响程度远远小于无机光导体激光器 5 电泵浦有机激光 通过电泵浦使有机半导体内实现粒子数反转 从而产生激光 即为电泵浦有机半导体激光 有机电致发光可视为在电注人情况下有机半导体的发光 如果在此基础上实现粒子数反转 再辅以适当的光谐振腔结构 则可实现电泵浦有机半导体激光 迄今为止 电泵浦有机半导体激光的实现 还是一个难题 主要挑战在于以下两个方面 要达到电泵浦激射阈值 有机半导体中的电流密度要在102A cm2 而有机电致发光的工作电流密度通常在十几到一百个mA cm2扩量级 二者相差三个数量级以上 要达到如此高的电流密度 必须大大提高有机半导体材料的载流子迁移率及热稳定性 否则高电压产生的焦耳热将导致有机材料的损坏 使器件失效 电泵浦结构中 有机半导体激光材料必须内嵌于一对正负电极之间 一方面电极将产生很大的光损耗 另一更重要的方面是 由于有机半导体必须采用DFB等栅状激光谐振结构 这种尺寸在几百纳米范围的结构 将在很大程度上会使沉积在其上的电极形成裂痕 降低电接触的欧姆特性 影响载流子注人 因此 在设计有机半导体激光结构时 必须考虑谐振腔结构对电极质量的影响 电泵浦有机激光 电泵浦有机激光 利用其他结构 对有机半导体进行间接电泵浦的研究 也时有报道 例如 可利用场效应晶体管的电输出来泵浦有机半导体产生激光 也可以通过有机电致发光对有机半导体进行泵浦产生激光 这些间接电泵浦结构旨在避免激光谐振结构对电极质量的影响 以及降低载流子注人形成的极化子对泵浦能量的吸收 间接泵浦激光器件 电泵浦有机激光 目前的无机半导体激光器己经非常成熟 将无机半导体激光器结构引人到有机半导体电泵浦激光器结构中 也是目前有机半导体激光的一