有机半导体放大自发辐射和单模激光的研究

摘要

有机半导体材料具有荧光量子效率高、受激辐射截面大、吸收光谱与发射光谱之间的斯托克斯位移明显等特性，同时还具有机械柔性以及制备工艺简单的优点。因此以有机发光半导体作为激光增益介质的激光器得到了广泛的研究。其中，π共轭聚合物(PCPs)是一种新兴的有机光电材料，它的形貌影响着其光电特性，因此研究形貌对其放大自发辐射(ASE)的影响具有重要的意义。同时，激光谐振腔对于激光特性有着重要的影响。一些结构新颖的激光谐振腔诸如随机激光、回音壁光学微腔引起了人们的极大关注，这些光学微腔制备简单，适用于溶液法制备的有机材料。但是由于缺少选模元件，这些激光模式通常是多模的，因此能够实现和调控诸如随机激光、回音壁微腔激光的单模运行是非常重要的课题。针对以上课题，本论文主要取得了以下成果: 1、光学测试系统的搭建。自行搭建了光致发光、光致吸收以及激光光谱测试系统。 2、研究了形貌对于MEH-PPV薄膜和溶液中放大自发辐射(ASE)的影响。实验上分别测试了未退火、退火MEH-PPV薄膜、1mg/ml以及2.5mg/ml MEH-PPV溶液中的ASE光谱。通过在420K对薄膜进行退火处理，薄膜中会形成大量的聚集态，即薄膜形貌发生了改变。实验结果表明退火薄膜中的ASE阈值明显高于没有退火的薄膜。相比之下，温度对薄膜中ASE的阈值影响更弱。由此得出结论是薄膜形貌而不是长寿命的激发态对于MEH-PPV薄膜中的ASE阈值有本质的影响。除此之外，在MEH-PPV溶液中，聚集态的含量随着浓度的增加而增加。在1mg/ml的稀溶液中，ASE在0-0和0-1峰都有发生，而在2.5mg/ml溶液中，只有0-1峰发生ASE，当温度由300K增加至330K时，1mg/ml的稀溶液中的ASE阈值显著增加，而2.5mg/ml溶液的阈值变化较小。我们的实验结果表明形貌对于薄膜和溶液中的ASE光谱都有至关重要的影响。因此，为了进一步开展基于PCP的激光现象研究，溶液和薄膜中的分子链聚集所决定的链链相互作用需要更深入的理解和调控。 3、研究了高浓度π共轭聚合物(PCPs)溶液中的单模随机激光。利用脉冲宽度为10ns的532nm的激光线激发高浓度MEH-PPV和PCPDTBT溶液，在一定的泵浦光强范围内，观察到单模式的随机激光。实验结果表明，由于PCPs浓溶液中聚集态的弱散射形成了空间扩展的单模激光模式。该模式沿着溶液与比色皿的界面传输并且得到了放大，实验中可观察到光束具有较好的方向性，其远场发散角分别为1.3°（平行于入射光方向）和3.7°（垂直于入射光方向）。由于空间扩展的模式可以利用大量的增益介质，因此辐射光具有高的亮度，功率转换效率高达10％。相比于目前控制随机激光获得单模的方法，我们的工作提供了一种简单有效获得高亮度单模式随机激光的方法。同时，这是第一次在纯聚合物溶液中观察到随机激光，并且验证了在扩展模式中可以产生单模随机激光的理论预测。 4、针对在回音壁微腔中获得单模辐射的问题，利用基于倏逝波耦合增益的回音壁模式，获得了单模回音壁模式(WGM):置于有机染料溶液中的裸光纤，当外层溶液折射率小于光纤折射率时，形成微柱腔，可能产生回音壁模式激光输出。实验中，将光纤置于罗丹明6G的乙醇溶液中，光纤由于毛细力紧密附着在比色皿壁上，使用532nm的纳秒脉冲激光点激发该光纤时，在一定的激发强度范围内，可以观察到稳定的单模激光输出;而如果光纤附着不够紧密，会观察到多模的回音壁模式激光输出。在单模输出时，如果逐渐增加外层溶液折射率（保持罗丹明6G的浓度），激光输出会逐渐向回音壁多模式激光输出演化。实验表明利用回音壁模式获得单模激光输出是可以调控的，这可能和倏逝波进入包层溶液的深度有关。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1课题研究背景

1．2激光的基本原理

1．2．1光与物质的相互作用

1．2．2光学谐振腔和阈值条件

1．3有机激光材料

1．3．1激光染料

1．3．2共轭聚合物

1．4有机激光器的谐振腔结构

1．5随机激光的原理和进展

1．5．1随机激光的原理和分类

1．5．2随机激光的实验历程

1．5．3随机激光理论进展

1．5．4随机激光的应用前景

1．6有机激光回音壁微腔原理及进展

1．6．1回音壁模式原理简介

1．6．2回音壁模式中的参数

1．6．3基于回音壁模式的有机激光研究进展

1．7本文主要研究内容

2实验技术与原理

2．1样品制备

2．2实验技术

2．2．1实验装置组成

2．2．2激光光谱测试系统

2．2．3光致吸收测试系统

2．3实验基本原理

2．3．1平面波导理论

2．3．2倏逝波

2．3．4法布里珀罗腔(FP)

2．3．5光谱的傅里叶变换

3形貌对π共轭聚合物中放大自发辐射的影响

3．1引言

3．2实验部分

3．2．1样品制备

3．2．2光谱测试

3．3实验结果及讨论

3．3．2 MEH-PPV薄膜在不同温度下的ASE光谱

3．3．3退火MEH-PPV薄膜在不同温度下的ASE

3．3．4形貌对MEH-PPV溶液中ASE的影响

3．4本章小结

4共轭聚合物溶液中单模随机激光现象的研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1样品制备

4．2．2光谱测试光路

4．3实验结果及分析

4．3．1饱和MEH-PPV溶液中的随机激光现象

4．3．2单模随机激光产生的控制条件

4．3．3高浓度PCPDTBT溶液中的单模随机激光

4．4本章小结

5基于倏逝波耦合增益的单模回音壁模式

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1样品制备

5．2．2光谱测试

5．3实验结果及分析

5．3．1单模激光的观测

5．3．2单模回音壁激光的调控和激光模式的分析

5．3．3罗丹明B和MEH-PPV溶液中倏逝波耦合增益的微腔激光

5．4本章小结

6总结与展望

6．1全文总结

6．2展望

致谢

参考文献

附录