具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法，本发明专利技术器件基于金纳米颗粒的局域表面等离激元共振效应和散射效应，有效改善面发射激光的特性，包括发射强度增强，阈值降低，且品质因子提高。特征是由玻璃衬底、金纳米颗粒、间隔层、增益介质组成，激光增益介质由掺杂型有机小分子主客体材料组成，间隔层与增益介质中的主体材料相同。将此激光结构作为色转换层运用于有机电致二极管中，在该组合器件中能够利用发光层发射的光激发有机染料薄膜层发光，为实现结构简单的电泵浦有机激光器件提供了一种有效的方案。本发明专利技术中的结构均由真空蒸镀法制备，简单快捷。

【技术实现步骤摘要】
具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法
本专利技术涉及一种薄膜激光器及其制备方法，特别是涉及一种小分子有机激光薄膜器件、应用及其制备方法，应用于激光器

技术介绍
对于激光的工作物质，我们通常使用的有玻璃、晶体等固体、有机与无机液体等液体、分子气体、原子气体、离子气体等气体、半导体等。这些激光材料的制备工艺难度大，且价格昂贵，在性能上有各自的局限性。长期以来，科学家们一直致力于新型激光染料的发展，进而获得更加完美的激光器。自1964年，Stockman等人使用高功率的闪光灯泵浦C20H12溶液发现了净增益的现象，首次证明了有机化合物可以产生激光发射。有机半导体激光经历多年的发展并取得了很大的进步，有机激光材料的研究主要集中在小分子和聚合物两类中，常见的有机小分子材料如DCM、PBD等。小分子材料的分子结构确定，易于合成及提取，大多数分子都可以采用真空蒸镀的方法成膜。虽然以前的固体染料激光器也是将激光染料小分子掺入有机材料中，但那些有机材料是电绝缘的。而采用有机小分子导电薄膜作为激光染料的基质材料，可制备出高发光效率、高质量的薄膜，降低了激射阈值[1]。但是这样的薄膜激光器基本上都是端面接收，即边发射，边发射半导体激光器有出射光束图形复杂、发散角大等先天劣势，在半导体激光器的加工与应用过程中，为获得理想的激光输出质量，往往在增大激光器输出功率的同时需要进行光束整形、准直和耦合，从而克服边发射激光半导体激光器的缺点。但是昂贵的精密光束整形系统和高装调难度大幅增加了激光器的加工制作成本，制约了边发射激光器件的产品化。表面发射半导体激光器为上述边发射激光器所面临的问题提供了切实可行的解决方案。按照结构不同，表面发射半导体激光器可以分为很多种，现今商用的主要是垂直腔表面发射激光器(Vertical-CavitySurface-EmittingLasers,VCSELs)，因其圆形输出光斑、单纵模输出、低阈值电流、易耦合、价格低廉以及易集成化等特点已广泛应用于通信领域，但是与边发射激光相比，其极低的光子单程增益严重限制了器件的输出功率，同时圆对称结构使得横向模式不稳定，以及制作材料单一等都阻碍了VCSELs的进一步发展。除VCSELs以外，还有纵向振荡表面发射半导体激光器，如光子晶体(PhC)谐振腔激光器，环形腔(Ringcavity)激光器，以及二阶Bragg式光栅实现表面输出耦合功能的面发射DFB半导体激光器(SE-DFB-LD)[2]。这些结构适合于对半导体激光基础研究的应用，但它们并没有充分利用有机半导体激光器件的优势。非专利参考文献：[1]P.Il-Soo,P.Soon-Ryong,S.Dae-Yup,O.Jun-Sik,S.Won-Jun,Y.Ji-Hwan,Modelingandsimulationofelectronicandexcitonicemissionpropertiesinorganichostguestsystems.OrganicElectronics,Vol.11,No.2,2010,pp.218-226.[2]田锟,邹永刚,马晓辉,郝永芹,关宝璐,侯林宝,面发射分布反馈半导体激光器.中国光学,第9卷,第1期,2016,pp.51-64.
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件、应用及其制备方法，充分利用小分子有机半导体材料的优点，制备掺杂型小分子有机激光薄膜，并用一种简单的方式即真空蒸镀一层金纳米颗粒来改善其光泵浦面发射激光特性。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下专利技术构思：本专利技术在光泵浦条件下采用发射表面激光的掺杂型小分子有机激光薄膜和用以改善其激光特性的金纳米颗粒层。掺杂型小分子有机激光薄膜发射激光的原理为：主体材料吸收泵浦源泵浦能量，通过能量转移传递给客体材料，客体小分子激光染料受激辐射从而发射激光。而金纳米颗粒的添加，产生表面局域场，通过与受激辐射的激光染料分子产生等离子体共振从而增强其发射强度，同时由于散射效应等改变其发射方向，使得面发射比例增强并且阈值降低，品质因子也得到明显的提高。根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案：一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，主要由衬底和增益介质层组成，在衬底和增益介质层之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：在衬底和增益介质层之间设置掺杂型小分子有机激光薄膜作为间隔层，并在掺杂型小分子有机激光薄膜中弥散掺杂了金纳米颗粒形成增强激光辐射复合薄膜；或者在衬底表面上设有由金纳米颗粒形成的非连续的、不能整体横向导电的离散颗粒薄膜，并在金纳米颗粒形成的离散颗粒薄膜和增益介质层之间设置非平整的间隔层的薄膜，即在衬底和增益介质层之间，设置了由金纳米颗粒的离散颗粒薄膜和间隔层的薄膜层叠形成的增强激光辐射复合薄膜；在增强激光辐射复合薄膜中的金形成孤立的颗粒或者碎片化颗粒聚合体；间隔层采用与增益介质层的主体材料相同的材料或者分子结构类型相同的材料，以保证激光增益介质受激辐射后所受的影响最小。本专利技术器件结构简单，制备方式简单快捷。本专利技术器件进行面发射激光能克服边发射激光出射图形复杂、发射角大等先天劣势。在此基础上进一步的研究改进后获得理想的光输出质量，是一种廉价优质的光泵浦面发射激光器。作为本专利技术优选的技术方案，增益介质层中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，其客体材料为红色小分子激光染料。上述主客体掺杂质量比例优选为1:1％～1:7％。以保证激光染料含量足够发射表面激光而又不会因为太高而引起荧光猝灭。在上述增益介质层中的主体材料优选采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine(NPB)、1,4-bis[2-[4-[N,N-di(p-tolyl)amino]phenyl]vinyl]benzene(DSB)和tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III)(Alq3)中的任意一种有机小分子材料或者任意几种材料的有机小分子混合材料。这3种材料都能有效地吸收泵浦光源的激光，并且其发射光谱与红色激光染料的吸收光谱重叠率良好，从而可以通过能量转移有效地传递给红光材料。在上述增益介质层中的客体材料优选采用4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-[p-(dimethylamino)styryl]-4H-pyran(DCM)和4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran(DCJTB)中任意一种低阈值的红色小分子激光染料或者二者混合的红色小分子激光染料。作为本专利技术优选的技术方案，间隔层的薄膜的厚度为2～8nm，以保证在能够生长成薄膜的基础上完整覆盖上述生成的金纳米颗粒；金纳米颗粒的离散颗粒薄膜厚度为0.4～3.0nm，以保证蒸镀到玻璃表面的金会生长成孤立的颗粒，避免生长成连续的薄膜而造成横向连续导电。具有局域表面等离子体共振谱，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，主要由衬底(1)和增益介质层(4)组成，其特征在于：在所述衬底(1)和所述增益介质层(4)之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：在所述衬底(1)和所述增益介质层(4)之间设置掺杂型小分子有机激光薄膜作为间隔层(3)，并在所述掺杂型小分子有机激光薄膜中弥散掺杂了金纳米颗粒(2)形成增强激光辐射复合薄膜；或者在衬底(1)表面上设有由金纳米颗粒(2)形成的非连续的、不能整体横向导电的离散颗粒薄膜，并在金纳米颗粒(2)形成的离散颗粒薄膜和所述增益介质层(4)之间设置非平整的所述间隔层(3)的薄膜，即在所述衬底(1)和所述增益介质层(4)之间，设置了由金纳米颗粒(2)的离散颗粒薄膜和所述间隔层(3)的薄膜层叠形成的增强激光辐射复合薄膜；在增强激光辐射复合薄膜中的金形成孤立的颗粒或者碎片化颗粒聚合体；所述间隔层(3)采用与所述增益介质层(4)的主体材料相同的材料或者分子结构类型相同的材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，主要由衬底(1)和增益介质层(4)组成，其特征在于：在所述衬底(1)和所述增益介质层(4)之间还设置增强激光辐射复合薄膜，具体为：在所述衬底(1)和所述增益介质层(4)之间设置掺杂型小分子有机激光薄膜作为间隔层(3)，并在所述掺杂型小分子有机激光薄膜中弥散掺杂了金纳米颗粒(2)形成增强激光辐射复合薄膜；或者在衬底(1)表面上设有由金纳米颗粒(2)形成的非连续的、不能整体横向导电的离散颗粒薄膜，并在金纳米颗粒(2)形成的离散颗粒薄膜和所述增益介质层(4)之间设置非平整的所述间隔层(3)的薄膜，即在所述衬底(1)和所述增益介质层(4)之间，设置了由金纳米颗粒(2)的离散颗粒薄膜和所述间隔层(3)的薄膜层叠形成的增强激光辐射复合薄膜；在增强激光辐射复合薄膜中的金形成孤立的颗粒或者碎片化颗粒聚合体；所述间隔层(3)采用与所述增益介质层(4)的主体材料相同的材料或者分子结构类型相同的材料。2.根据权利要求1所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：所述增益介质层(4)中的激光增益介质由有机小分子主客体材料掺杂而成，其主体材料为能够有效吸收激光能量的有机小分子材料，其客体材料为红色小分子激光染料，主客体掺杂质量比例在1:1％～1:7％。3.根据权利要求2所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：在所述增益介质层(4)中的主体材料采用1,4-bis[N-(1-naphthyl)-N'-phenylamino]-4,4'diamine、1,4-bis[2-[4-[N,N-di(p-tolyl)amino]phenyl]vinyl]benzene和tris-(8-hydroxyquinolinato)aluminum(III)中的任意一种有机小分子材料或者任意几种材料的有机小分子混合材料。4.根据权利要求2所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄膜器件，其特征在于：在所述增益介质层(4)中的客体材料采用4-(Dicyanomethylene)-2-methyl-6-[p-(dimethylamino)styryl]-4H-pyran和4-(dicyanomethylene)-2-t-butyl-6-(1,1,7,7-tetramethyljulolidyl-9-enyl)-4Hpyran中任意一种低阈值的红色小分子激光染料或者二者混合的红色小分子激光染料。5.根据权利要求1所述具有金纳米颗粒增强的光泵浦面的发射有机激光薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱文清，俞静婷，石冠杰，翟光胜，张沛，陈果，魏斌，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31