有機半導體PFO薄膜隨機激光器

李松濤 溫馨 王萍 許令艷 任芝 華北電力大學數理系

一、引言

圖1傳統激光器和隨機激光器原理的對比圖

隨機激光原理和傳統激光器原理既有相同點，又有不同點。對于傳統激光器而言，激光的產生，一般要求如下兩個基本條件：

第一，增益介質，即激光的工作物質。激光的工作物質用來實現粒子數反轉，從而產生光的受激輻射放大，有時也稱為激光增益媒質。增益介質必須具有合適的能級結構和躍遷特性，保證粒子在高能級和低能級之間實現粒子數反轉，并能夠有效保持一段時間，確保有足夠的粒子發生能級躍遷，從而保證系統持續發射激光。

第二，提供正反饋的光學諧振腔。諧振腔的作用是選擇特定頻率、行進方向一致的光進行優先放大，同時抑制其他頻率和其他方向的光。傳統激光器原理示意圖，見圖1（a）。為了實現高增益和高效率的激光輸出，在傳統激光器中常常需要避免光在諧振腔內的散射。

隨機激光的工作原理和上述傳統激光器的工作原理相類似，但是隨機激光的模式，是由光的多重散射來提供的，因此在隨機激光器內部需要分布無序介質或者散射顆粒。隨機激光器內部的光經過多次隨機散射，光子行進的路徑類似于液體中的花粉等懸浮顆粒的布朗運動的路徑，見圖1（b）。這種多重散射和光擴散不同，光擴散現象往往是介質的均勻性遭到破壞的結果，光擴散材料內部有很多折射率差異大的、尺寸為波長量級的介質單元，在入射光照射時，介質單元作為次級波源將向外輻射不同振幅大小的次波，次波之間彼此的相位也有差別，一般可忽略相干作用，因此光線在光擴散材料內部經過折射、反射和散射后，光束尺寸變大，稱為光擴散現象。而在隨機激光器中，光經過多重散射，在隨機介質內部傳播，散射后的光能夠發生相干作用。因此，隨機激光定義為：在隨機介質中，基于光的多重散射而形成受激輻射。

隨機激光器的制作成本低，在激光雷達、生物醫學成像、遠程傳感等方面有著重要的應用價值。

二、實驗結果

本文采用旋涂法制備有機半導體PFO薄膜激光器，步驟如下：

(1） 取一定量的有機半導體 PFO（poly [9，9-dioctylfluorenyl-2， 7-diyl] end capped with DMP，生產廠商：Sigma Aldrich），溶解于一定量的二甲苯中，超聲振蕩20分鐘，得到質量濃度為12.5 mg/ml的有機半導體PFO的二甲苯溶液。

(2）取15 mm*15 mm*1.1 mm的石英片、洗凈、吹干，用作基底，真空吸附在旋涂儀樣品臺上。

(3）用移液器取有機半導體PFO二甲苯溶液約40 μl，滴在石英基片上，旋涂速度為1500 rpm （revolutions per minute），持續時間30 s。

（4）晾干后，得到約180 nm厚度的PFO薄膜。

圖2（a）有機半導體PFO薄膜的顯微鏡照片；（b）有機半導體PFO薄膜的隨機激光發射光譜

圖2（a）是有機半導體PFO薄膜的顯微鏡照片。有機半導體PFO二甲苯溶液旋涂在石英基片上，在表面張力的作用下形成液膜。由于二甲苯具有強的揮發性，液膜中的二甲苯在快速揮發的過程中，有機半導體PFO材料沉積在石英基片上，形成圖2（a）中所示的大量隨機結構，這些隨機結構在外界泵浦光的作用下，起到波導、散射作用，有利于隨機激光的發射。

為了研究有機半導體PFO薄膜的隨機激光特性，本研究中的泵浦源采用波長為343 nm，脈沖寬度1 ns，重復頻率200 Hz的納秒激光器（Flare NX 343， Coherent）。

當泵浦光的能量密度低于閾值（100 μJ/cm2）時，有機半導體薄膜發射出自發輻射光放大（ASE），見圖2中的黑色曲線，具有較寬的譜線特征。當泵浦功率密度繼續增加，超過閾值后，在原有的ASE寬峰上，出現一個窄的發射峰，這個窄的發射峰隨著泵浦能量的增加，強度迅速的增加，即隨機激光，中心波長為449 nm。這里區分一下自發輻射、受激輻射和熒光發射。自發輻射不受外界光場的影響，是由于粒子在激發態的壽命有限所導致，自發輻射產生的光子非相干光，所以頻率、相位和出射方向都不同；受激輻射過程一般要受到外界光場的作用，外界的光子會起到誘導光的作用，輻射產生的光子是相干光；熒光發射也要受到外界光場影響，首先有個受激吸收過程，躍遷到自己的激發態，受激發原子或分子在退激發過程中再發射波長與激發輻射波長相同或不同的輻射。ASE是指自發輻射光放大，即在泵浦光作用下，增益介質的粒子自基態躍遷至激發態，當粒子自激發態向下躍遷時，首先發生的是自發輻射，由于自發輻射是隨機的，所以沒有相干性的，自發輻射產生的光子將誘發產生受激輻射過程。由于受激輻射產生的光子與誘導光子一致，因此，因自發輻射光子誘導產生的受激輻射產生的光子整體上看仍是非相干的，而只是最初的自發輻射被放大了而已。

對應有機半導體PFO薄膜的出射光譜從ASE到隨機激光；與之對應的是出射光譜的強度的變化，同樣在在泵浦能量密度約為100 μJ/cm2處，出射光譜的強度的趨勢發生了明顯改變。如果用將出射光譜的強度描線，根據出射光譜的強度變化，當泵浦能量小于閾值時，直線的斜率記為k1；泵浦能量大于閾值后的出射強度的模擬直線的斜率k2，則有k1

三、結論

本文采用旋涂工藝制備了有機半導體PFO薄膜，通過顯微鏡觀察到PFO薄膜存在大量的隨機機構，使用波長為343 nm，脈沖寬度1 ns，重復頻率200 Hz的納秒激光器進行泵浦實驗，有機半導體PFO薄膜發射隨機激光，中心波長為449 nm。旋涂法制備有機半導體PFO薄膜隨機激光器具有工藝可靠，在面光源、集成光源等方面有著重要應用價值。

致謝

本工作得到過教育部中央高校基本科研業務費（2017MS198）和河北省自然科學基金(A2019502044)的資助。