【摘要】：有機半導體激光材料憑借其價格低,激光閾值低,制備工藝簡單,以及發(fā)射波長可調(diào)諧等優(yōu)點引起了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。目前,光泵浦有機激光器的研究已經(jīng)趨于成熟,但電泵浦有機激光器依然是激光研究領域當前亟待解決的難題,實現(xiàn)電泵浦有機激光面臨的主要挑戰(zhàn)是有機半導體材料的低載流子遷移率、三線態(tài)激子積聚和器件結構中不可避免的對光子的各種損耗因素。為解決這一難題,當前行之有效的辦法是開發(fā)新型低閾值有機激光材料、對已開發(fā)的有機激光材料進行光學增益的優(yōu)化或篩選載流子遷移率較高的有機發(fā)光材料、并優(yōu)化其光學增益性能。本文按照此思路開展了如下的研究工作:(1)開發(fā)PSF-Cz和PSF-Ph兩種聚硅雜芴系藍光有機激光材料。系統(tǒng)研究了這兩個有機材料薄膜器件的光物理特性和光增益特性,包括吸收光譜、熒光光譜、放大自發(fā)輻射(ASE)閾值以及光學凈增益和損耗。利用一維二級分布反饋(DFB)光柵結構實現(xiàn)了PSF-Cz為增益材料的性能藍光DFB激光器件,優(yōu)化后的激光器件在出光波長448.4 nm處獲得0.169?J/cm~2的低閾值和4.2%的輸出效率。最后基于F?rster能量傳遞的基本理論,采用主客體摻雜的方法,將F8BT客體摻入PSF-Ph主體,形成PSF-Ph-F8BT共混薄膜體系,實現(xiàn)了對F8BT薄膜器件光學增益特性的優(yōu)化。同時,系統(tǒng)分析了共混比例對PSF-Ph-F8BT共混薄膜的光物理特性和光學增益特性的影響。(2)將原本不具備激光行為的PCDTBT摻入到聚合物F8BT主題中,在共混薄膜體系F8BT-PCDTBT觀察到發(fā)光在710 nm的近紅外區(qū)域的低閾值(21?J/cm~2)ASE特性,并系統(tǒng)研究了主客體摻雜比例對F8BT-PCDTBT光學增益性能的影響。利用Pump-Probe技術測試共混樣品的瞬態(tài)吸收光譜,進一步分析共混體系的發(fā)光機理。使用納米壓印技術制造柔性的一維DFB光柵結構,將共混溶液沉積在此襯底上實現(xiàn)了低閾值近紅外的激光器件,表征共混材料的激光特性。再通過一系列的光學表征確定最佳共混比例。進而通過將另一種紅光聚合物P3HT引入這一共混體系,實現(xiàn)了紅光到近紅外(IR)光學窗口(650 nm~710 nm)60 nm的ASE波長調(diào)節(jié)。(3)將新型太陽能電池材料CH_3NH_3PbI_3通過兩步法沉積在透明襯底上,制備成薄膜器件,表征其放大自發(fā)輻射特性,確定其光增益特性。同時還探究了基底類型、旋涂工藝以及泵浦光束的波長對CH_3NH_3PbI_3薄膜器件ASE閾值的影響。最后通過摻入PbBr_2制備混鹵鈣鈦礦薄膜,通過調(diào)節(jié)碘元素與溴元素的比例,實現(xiàn)近紅外范圍內(nèi)約140 nm寬度的波長調(diào)節(jié)。
【圖文】：

終于在 1960 年 5 月世界上第一臺實用型激光器——紅寶石固體激光器被宣布問世自此以后，高方向性，高顏色純度，，高相干性和超高亮度等優(yōu)秀光學品質的激光光束受科學家們的廣泛關注。經(jīng)過六十年的發(fā)展，激光技術逐漸成熟，激光的波長也已經(jīng)覆蓋光譜中（圖 1.1）200 nm ~ 30 μm 的波段，激光的作用也不僅僅只是作為相干光源，還可來傳遞信息，攔截武器，美容，顯示和照明。服務的行業(yè)不同，激光器所需具備的特點差異，所以當前市面上存在的激光器種類繁多，根據(jù)工作物質的類型可以分為無機激光有機激光器,根據(jù)泵浦源可以分為光泵浦激光器和電泵浦激光器。其中無機半導體材料不可以實現(xiàn)光泵浦激光，還可以實現(xiàn)電泵浦激光，這使得無機半導體激光器在實際應用中易推廣和使用。但對于有機半導體材料而言，雖然材料本身具備一種特殊的共軛結構，更容易發(fā)生粒子數(shù)反轉，更容易實現(xiàn)受激輻射光放大，但有機半導體材料相對低的光、定性和低載流子遷移率等諸多限制因素，使得目前有機半導體材料只實現(xiàn)了光泵浦激光射，為了拓展有機半導體激光器在實際生活中的應用，擺脫昂貴的光泵浦源的束縛，實機激光器的商業(yè)化，科學工作者還在不斷地探索實現(xiàn)電泵浦有機激光器件的可能性。

為了適應市場需求被不斷地改造創(chuàng)新，市面上存在的激工作方式也不盡相同，但每臺完整激光器最核心部分都必須包括：振腔（如圖 1.2）[14]。其中增益介質是激光器的工作物質，為受激本的物質——光子，常見的氣體工作物質有氮氣（N2），氬離子氣摻鈦藍寶石（Ti3+: Al2O3）等，花青類染料及半導體工作物質如砷要作用是為受激輻射光放大過程提供能量，將粒子從低能級抽運為了有連續(xù)不斷的激光出射，泵浦源就必須源源不斷地提供能量和電泵浦兩種。諧振腔是由兩面反射鏡組成，一面是全反射，一是讓受激輻射躍遷過程釋放的光子在腔體內(nèi)不斷地振蕩，一方面通過增益介質形成光學正反饋，一方面剔除振動方向和頻率比較高方向性和高單色性，目前我們實驗室研究有機激光的諧振腔一（Distributed Feedback, DFB）和平面波導。
【學位授予單位】：南京郵電大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN248

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本文編號：2600193