基于液晶/聚合物光柵的高轉化效率有機半導體激光器?

劉麗娟 孔曉波 劉永剛 宣麗

1)(曲阜師范大學物理工程學院,曲阜 273165)2)(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,應用光學國家重點實驗室,長春 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首次抽運共軛聚合物溶液觀察到激光出射現象[1],有機半導體(organic semiconductor)發光材料由于其具有成本低、寬吸收譜和發射譜、高增益等優點被廣泛應用于激光器中[2?4].有機半導體激光器(organic semiconductor lasers,OSLs)可應用于光譜儀的光源、化學傳感器以及光學開光等領域[5,6].但是,OSLs還存在著一些問題,其中最突出的是高閾值和低轉化效率.高閾值使得OSLs只能采用體積較大、價格昂貴的脈沖激光器作為抽運源,而低轉化效率會造成抽運光的極大浪費.分布反饋式(distributed feedback,DFB)OSLs因具有出射激光線寬窄、閾值低、波長選擇靈敏度高等優點成為研究的重點.目前,DFB OSLs的制備主要采用電子束蝕刻、納米壓印、反應離子蝕刻等方式[7?9].電子束蝕刻和反應離子蝕刻工藝復雜,納米壓印雖然工藝簡單,但是制備出的激光器閾值非常高[10?12].并且常見的DFB OSLs結構中,有機半導體層既是增益介質層也是折射率調制層[2,13],這使得激光器的耦合機制十分復雜,不利于研究激光器各個參數對出射激光的影響.

我們采用有機半導體層作為激光器的增益介質層,液晶/聚合物(holographic polymer dispersed liquid crystal,HPDLC)光柵作為外部反饋層,這樣的一種分離式結構可以對激光器的參數進行獨立控制.HPDLC光柵具有制備簡單、成本低、散射損失小等優點,可作為激光器優良的諧振腔.將包含光敏單體和液晶的預聚物置于干涉光場中,光敏單體在干涉條紋亮區聚合,形成的聚合物把液晶分子擠壓到暗區,由于存在濃度梯度,暗區的單體移動到亮區繼續聚合,最終形成聚合物層和液晶層交替排列的周期結構,即HPDLC光柵[14?16].

在HPDLC光柵中,相分離出的液晶分子沿著光柵矢量方向排列,反饋光的折射率調制量取決于聚合物層的折射率np與液晶分子折射率no的差值,由于兩者折射率值相近,所以光反饋不強[17].本文采用低官能度光敏單體制備的HPDLC光柵作為DFB OSL的外部反饋層,聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯乙炔](MEH-PPV)作為增益介質,通過研究影響液晶分子取向的因素,發現當光柵周期在375–425 nm之間時,相分離出的液晶分子沿著光柵溝槽方向排列,此時光柵的折射率調制量增大,光反饋得到增強.采用周期為395 nm的HPDLC光柵制備激光器,出射激光的性能得到極大的提升,相比采用周期為593 nm的光柵制備的激光器,轉化效率從2.5%提高到6.3%,閾值從0.70μJ/pulse降低至0.18μJ/pulse.

2 實 驗

2.1 樣品的制備及實時衍射效率的測量

為了實時監測光柵的衍射效率,在制備光柵的過程中,將633 nm的激光以光柵的布拉格角入射,如圖2所示,光柵的一級衍射光經偏振分束棱鏡后分為p偏振光和s光偏振光,分別由探測器1和探測器2接收.

圖1 (網刊彩色)有機半導體HPDLC光柵激光器的制備流程Fig.1.(color online)Fabrication process of OSL based on HPDLC grating.

圖2 (網刊彩色)光柵制備及衍射效率測試圖Fig.2.(color online)Optical setup for fabrication and characterization of the HPDLC grating layer.

2.2 激光抽運及測試

Nd:YAG倍頻脈沖激光器(532 nm,8 ns,1 Hz)為抽運源,分束棱鏡將抽運光分為能量相同的兩束,其中一束抽運光的能量由能量計直接探測,另一束由柱面鏡聚焦為沿光柵矢量方向的細條紋(5 mm×0.1 mm)抽運樣品.樣品出射的激光能量由高靈敏度的LabMax-TOP能量計測量,出射激光波長、半高全寬等信息由光譜儀(分辨率為0.3 nm)測量.

3 結果與分析

3.1 HPDLC光柵的實時衍射效率

設光柵矢量方向為x方向,垂直光柵表面方向為y方向,如圖1所示,光柵p光和s光的衍射效率公式可以表示為[13]

式中,nave為光柵的平均折射率,λ0為探測光波長,d為光柵厚度,ε1i(i=x,y,z)為光柵相對介電系數調制張量對角線上的量,θB為布拉格角(小于15°).(1a)和(1b)式可以簡化為

由(2a)和(2b)式可知,光柵p光和s光衍射效率的大小與液晶分子的取向有關,當ηp?ηs時,絕大多數液晶分子沿著x軸(光柵矢量)方向排列;當ηp?ηs時,絕大多數液晶分子沿著z軸(光柵溝槽)方向排列.

制備了不同周期的HPDLC光柵,光柵制備完成后分別測量其衍射效率,結果如圖3所示.當光柵周期大于525 nm時,ηp/ηs＞10,此時液晶分子沿著光柵矢量方向排列,液晶層與聚合物層折射率相近,光柵折射率調制量小,光反饋不強.當光柵周期在375–425 nm之間時,ηp/ηs＜1/10,液晶分子取向發生變化,沿著光柵溝槽方向排列,此時液晶層的折射率為ne,與聚合層的折射率差值變大,光柵反饋能力增強.當光柵周期為425–525 nm時,ηp與ηs相差不大,液晶分子一部分沿著光柵矢量方向排列,一部分沿著光柵溝槽方向排列.同時,注意到當光柵周期小于375 nm時,ηp與ηs都變得很小,光柵性質減弱,當光柵周期小于300 nm時,ηp與ηs均為0,此時不再是真正意義的光柵.

在光柵中,絲狀聚合物的錨定和光柵溝槽的作用力同時影響液晶分子的取向,絲狀聚合物是少量光敏單體在向干涉條紋亮區擴散過程中形成的,因此它們橫在相鄰的兩個聚合物層之間,將液晶分子錨定在光柵矢量方向,其錨定能為[20]

其中,n為絲狀聚合物的濃度,A為液晶分子和絲狀聚合物間的作用能,R為與光柵周期成正比的聚合物支架半徑.光柵溝槽的作用力使液晶分子沿著光柵溝槽方向排列,可以表示為[21]

其中,H為光柵槽的高度,K為液晶的彈性常數,Λ為光柵周期.從(3)和(4)式可以看出隨著光柵周期的變化,這兩種作用力是一個此消彼長的過程,這就不難理解不同周期的光柵中液晶分子取向不同的現象.此外,采用低光能度的光敏單體制備光柵,形成的絲狀聚合物少,可進一步減弱絲狀聚合物的錨定能.

圖3 不同周期光柵的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對激光器性能的影響

光柵反饋有效程度可以用耦合強度系數表示[22]:

其中,λlas為反饋激光的波長,Δn為折射率調制量.可以看出Δn越大,光柵耦合強度越大,越有利于光反饋.根據Kogelnik各向異性耦合波理論[23],折射率調制量Δn表示為

圖4(a)和圖4(b)分別為光柵周期為593 nm(大周期)和周期為395 nm(小周期)的樣品的實時衍射效率測量圖,從圖4可以看出兩者衍射效率大不相同:隨著光柵中相分離的進行,大周期樣品的p光衍射效率逐步大于s光衍射效率,最終穩定的p光衍射效率為56.9%,s光衍射效率為1.4%;而小周期樣品不同偏振的實時衍射效率卻相反,小周期樣品最終穩定的p光衍射效率為1.7%,s光衍射效率為57.1%.通過(6)式可以計算出大周期樣品的Δn為0.0036,小周期樣品的Δn大大提高,為0.0225.

圖4 (網刊彩色)光柵s偏振和p偏振實時衍射效率 (a)光柵周期為593 nm;(b)光柵周期為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 激光光譜特性

根據MEH-PPV的出光特性,我們制備的樣品出光大約在630 nm左右,此處MEH-PPV的增益最強[24].出射激光波長λ滿足布拉格方程:mλ=2neffΛ,其中,m為布拉格級次,neff為有效折射率,Λ為光柵周期.分別抽運大周期和小周期樣品,并測量其出射激光,此時大周期樣品的布拉格級次為3,而小周期光柵的布拉格級次為2.在光柵耦合過程中,由于在光柵矢量方向要滿足動量守恒,因此波矢要滿足以下條件[24]:

式中θo為出射光于玻璃基板法線的夾角.對于大周期樣品,出射激光滿足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

從(9)式可以得知,大周期光柵制備的激光器存在相互對稱的四束出射激光,且每束激光方向與基板法線呈32°夾角.同理對于小周期光柵,激光垂直于基板表面發出,且存在前后兩束.

圖5 出射激光的能量轉化圖 (a)光柵周期為593 nm,插圖為630.0 nm處的光譜圖;(b)光柵周期為395 nm,插圖為632.2 nm處的光譜圖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.

圖5為出射激光的能量轉化圖,對應插圖為其光譜圖.光柵大周期樣品的閾值為0.70μJ/pulse,轉化效率為2.5%,相應的激光波長為630.0 nm,半高全寬為0.6 nm.光柵小周期樣品的閾值為0.18μJ/pulse,轉化效率為6.4%,相應的激光波長為632.2 nm,半高全寬為0.5 nm.采用小周期光柵制備激光器,出射激光的性能得到了很大的提升,閾值降低約為原來的1/4,轉化效率提高了接近3倍.

4 結 論

本文采用有機半導體MEH-PPV作為增益介質,低官能度光敏單體制備的HPDLC光柵作為外部反饋腔制備了DFB OSL.決定液晶分子取向的主要有兩種與光柵周期有關的作用力,利用這一原理,采用小周期光柵制備激光器,光柵中液晶分子沿著光柵溝槽方向排列,光柵的折射率調制量增加,從而增強了光反饋,最終出射的激光閾值降低至0.18μJ/pulse,轉化效率提高到6.4%.這一工作為提高OSL的出光性能提供了新思路,推動了OSL的實用化進程.

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