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有机半导体激光器研究的新进展_刘明大

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①1998-12-02收稿;1999-02-03定稿②国家自然科学基金资助项目③本刊通讯编委第20卷第4期半　导　体　光　电Vol .20No .41999年8月Semiconductor OptoelectronicsAug .1999文章编号:　1001-5868(1999)04-0221-05有机半导体激光器研究的新进展①②刘明大1,③史素姣2,刘宇光3,陆　羽1,石家纬1(1.吉林大学电子工程系,长春130023;2.北大方正出版系统工程公司,北京100871;3.神华集团公司,北京100081)摘　要:　近年来,有机半导体激光器已经成为一个新的研究热点。

叙述了光泵浦有机半导体激光器的最新研究进展,对实现电泵浦(电注入)有机半导体激光器也进行了评述。

关键词:　半导体激光器　有机半导体　光泵浦　电泵浦中图分类号:　TN248.4;TN383.1 文献标识码:ARecent advance of organic semiconductor lasersLIU Ming -da 1,SHI Su -jiao 2,LIU Yu -guang 3,LU Yu 1,SH I Jia -wei 1(1.D ept .of Electronic Engineering ,Jilin University ,C hangchun 130023,China ;2.Fo under Publishing System Engineering C o .,Beijing 100871,China ;3.Shenhua Group of China ,Beijing 100081,China )A bstract :　The current study is focused on organic semiconducto r lasers .The recent advance in optically pumped organic semiconductor lasers is review ed ,and for demonstration of electrically pumped o rganic semiconducto r lasers ,the present g reat goal are also discussed .Keywords :　semiconductor laser ,o rganic semiconducto r ,optical pump ,electrical pump1　引言近年来,有机小分子和高分子聚合物电发光(EL )器件,已经取得了重大进展。

由于其具有驱动电压低、发光效率高、成膜特性好、全色发光等优点,在显示技术领域受到人们的极大关注。

近两年的大量研究表明,有机半导体是一种新型固体激光材料[1～3],其发光波长范围可以从蓝光到近红外。

目前,用有机小分子或高分子聚合物半导体材料,均已制成光泵浦有机半导体激光器(OSL )。

其谱线宽度最窄为0.02nm ,最高脉冲功率为5W ,最高工作寿命大于1×106h 。

光泵浦OSL 的结构有平板波导结构、双异质结结构、DBR 结构、DFB 结构以及微腔结构。

由于有机半导体材料的低成本和能够生长准外延或非外延薄膜,使有机半导体激光器容易与其他光电子器件集成在一起。

有机半导体的特殊光电特性导致OS L 的各项性能(输出功率、量子效率、发射波长)比通常的无机半导体激光器的有更好的温度稳定性。

OSL 在光通信和传感器应用方面有潜在的优势,特别是460～540nm 的短波段的光泵浦蓝光OSL ,在光存储应用中有着美好的前景。

有机半导体激光器的出现,将对信息产业产生重大影响。

研究表明,有机半导体激光材料有三个特征[4]:第一,吸收峰与发射峰偏离较大,导致这些材料的辐射吸收非常小,这是有机半导体激光材料的一个独特优点;第二,有机半导体激光材料含有共轭π(π＊)键结构,因此这些有机半导体激光材料的准一维π※π＊键,带间直接跃迁具有很大的相交密度。

通过泵浦激发π※π＊跃迁,将很容易实现粒子数反转;第三,有机半导体激光材料的吸收系数α很大,典型地α≥1×105cm -1,所以它的受激截面和吸收截面都很大,因而增益长度将基本上等于吸收长度,这就意味着与自发辐射相比,受激辐射将占有优势。

由此可见,有机半导体激光材料具有容易实现粒子数反转和受激辐射占优势两大特点。

综上所述,由于有机半导体激光材料具有大的受激截面,在低的光泵浦能量下,就可以实现粒子数反转。

而且在增益介质中,发射光子的传播距离大于增益长度。

所以在亚微米厚度的薄膜内,使用简单的平板波导结构,就可以实现低阈值增益。

有机半导体激光器受激产生激光,可以由五种现象来进行判定[5]:第一,在输出能量与输入能量(泵浦能量)的关系曲线中出现明显的阈值。

在阈值以上有一个高的激光效率;第二,有一个强的偏振光输出;第三,出现立体相干性(远场图有衍射斑点);第四,有效光谱谱线变窄;第五,出现激光器谐振模式。

2　光泵浦红光激光器美国Princeton大学的V.Bulovic等人[1,5]研制出光泵浦红光有机半导体激光器,其增益介质是由Alq3(8羟基喹啉铝)掺DCM激光染料组成的。

从最佳设计角度考虑,DCM具有红色的受激发射波长645nm。

这个发射波长远离Alq3主体分子的紫外吸收边波长450nm。

而DCM的吸收中心,又接近Alq3的最大发射谱波长530nm。

所以,这个由Alq3:DCM组成的有源层,对有效的Fo rster能量传递提供了一个从紫外激发的Alq3主体。

这样,泵浦能量通过Alq3主体分子吸收后,非辐射传递给DCM客体分子。

由于Alq3发射谱与DCM吸收谱匹配,才能在分子之间有足够的Forster能量传递,所以需要很低浓度的客体分子。

只有很低浓度的光活性态密度,才能降低阈值并提高激光器的效率。

Alq3与DCM的吸收和发射之间有大的Stokes移动,从而大大降低了受激阈值并增加了器件的工作寿命。

这种光泵浦红光OSL采用平板波导结构和DBR结构。

有源区为500nm厚的掺有3%的DCM 的Alq3,在高真空下,通过热蒸发共淀积在DBR介质镜面叠层表面上,如图1所示。

在有源层的顶部,再顺次淀积20nm厚的Alq3缓冲层和200nm厚的Ag镜面。

Alq3缓冲层降低了有机层与金属界面下的DCM激发淬灭。

OSL的光泵浦采用N2激光器(λ=337nm),在50Hz下产生500ps脉宽重复速率。

泵浦光束通过DBR叠层入射,当λ=337nm时它能透射8%,并聚焦成圆形。

在有机薄膜表面上形成100μm直径的光点。

图1　激光器结构(a)和DCM及Alq3的化学结构式(b) Fig.1　Laser structure(a)and chemical structure formulas of DCM and A lq3(b)Alq3:DCM OSL的发射光谱如图2所示。

自发辐射谱阈值比较低,这是由于微腔效应影响的结果。

λ=635nm的峰相当于腔的模式,如图2(a)所示。

在阈值以上的光发射谱,相应能量在300J/cm2以上,则完全受高增益支配,OSL发射谱变窄,如图2 (b)所示。

(a)在衬底垂直方向的自发发射谱(λ=635nm处观察到腔的模式);(b)在高泵浦能量下,OSL的受激发射谱。

图2　Alq3:DCM DBR O SL的发射光谱(a)Spontaneous emissio n spectrum in the substra te normal di-rectio n(Cavity mode is observed atλ=635nm).(b)Emission spectra from the same OSL at a high ex citation level.F ig.2　Emission spectrum o f Alq3:DCM DBR OSL这种Alq3:DCM DBR有机半导体激光器,具有很窄的光谱线宽(0.02nm±0.01nm),很高的功率(3W),在阈值以上脉冲工作时寿命大于1×106h,受激发射光谱范围随着有源层厚度不同而变化,为589～645nm。

研制的Alq3:DCM双异质结光波导222 半　导　体　光　电 1999年8月结构OSL ,发射谱峰值波长为645nm ,最高微分量子效率达70%,最大输出脉冲峰值功率达50W 。

3　光泵浦蓝光激光器光泵浦蓝光有机半导体激光器,在光存贮应用和彩色下转换等领域有着重要的应用。

对有机半导体激光材料的特性研究表明,因为在本体和掺杂剂有机分子之间,存在着有效的非辐射Forster 能量传递,所以本体的发射谱必须与掺杂剂的吸收谱相重叠。

为此,Princeton 大学的V .G .Kozlov 等人选择CBP [4,4-双(N -咔唑)联苯]为主体材料,PRL [北(peryene )]为掺杂剂[2],CBP :PRL 作为光泵浦蓝光OS L 的有源层。

图3给出了光泵浦蓝光边发射OSL 的结构,120nm 厚的CBP :PRL (质量比为100:1)薄膜,淀积在涂有2μm 厚的SiO 2层(等离子增强CVD 淀积)的抛光InP 衬底(100)表面上。

有机薄膜是高真空热蒸发生长的,这种结构的特点是有机薄膜(折射率n =1.8)在一侧形成一个具有SiO 2包层(n =1.46)的平板光波导,而在另一侧是空气(n =1)作为包层。

有机层厚度的选择原则是在增益区域内限制光场,形成一个单膜平板波导。

图3　光泵浦蓝光边发射O SL 结构图 Fig .3　Structure of an o ptically pumped blue OSL这种光泵浦蓝光边发射OSL 的有源层中主体分子为CBP ,发射峰在400nm 处。

掺杂剂客体分子PRL 在400nm 处亦具有强的吸收峰,这正好满足本体发射谱与客体吸收谱重叠原则。

于是,光泵浦能量(N 2激光器,λ=337nm )被CBP 分子吸收后,通过偶极对,非辐射地传递给客体分子,并按照分子构象弛豫,其发射光谱范围为460～510nm 。

从质量比为1%的CBP :PRL 薄膜没有观察到CBP 分子的发射,这意味着传递过程有很高的效率。

这是由于Forster 能量传递远离本体材料的吸收带而发射的结果,并将导致很低的激射阈值和长的工作寿命。

CBP :PRL 光泵浦蓝光边发射OSL ,受激辐射光谱范围为460～510nm ,具有5J /cm 2的低受激阈值,15%的高微分量子效率,20W 的高输出功率和激射脉冲工作寿命大于1×105h 。

这些数据说明蓝光OS L 器件是无机蓝光激光器的潜在竞争对手。

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半导体激光器的研究进展

半导体激光器的研究进展

半导体激光器的研究进展摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。

以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。

一、引言。

激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。

半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。

半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。

半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。

本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。

二、大功率半导体激光器的发展历程。

1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。

由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。

从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。

1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。

随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。

大功率半导体激光器的研究进展

大功率半导体激光器的研究进展

大功率半导体激光器的研究进展戚云泽（08物理本科班，200801071279）摘要：近年来，国内外在大功率半导体激光器方面的研究均取得了很大的进展。

其中，大功率半导体激光器列阵的研究和应用成为最大的亮点，如超高电光转换效率、高亮度和高可靠性等主要光电特性均实现了巨大的突破。

由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性，一方面产生激光的具体过程有许多特殊之处，另一方面所产生的激光光束也有独特的优势，使其在社会各方面广泛应用。

从同质结到异质结，从信息型到功率型，激光的优越性也愈发明显，光谱范围宽，相干性增强，是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。

关键词：受激辐射；光场；同质结；异质结；大功率半导体激光器0 引言半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的激光器，又称半导体激光二极管（LD），是20世纪60年代发展起来的一种激光器。

半导体激光器的工作物质有几十种，例如砷化镓（GaAs）、硫化镉（CdS）等，激励方式主要有电注入式、光泵式和高能电子束激励式三种。

半导体激光器从最初的低温（77K）下运转发展到室温下连续工作；从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱（单、多量子阱）等多种形式。

半导体激光器因其波长的扩展、高功率激光阵列的出现以及可兼容的光纤导光和激光能量参数微机控制的出现而迅速发展。

半导体激光器的体积小、重量轻、成本低、波长可选择，其应用遍布临床、加工制造、军事，其中尤以大功率半导体激光器方面取得的进展最为突出。

1 半导体激光器的发展历史20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器，它是在一种材料上制作的pn 结二极管。

在正向大电流注入下，电子不断地向P区注入，空穴不断地向1"1区注入。

于是，在原来的pn结耗尽区内实现了载流子分布的反转，由于电子的迁移速度比空穴的迁移速度快，在有源区发生辐射、复合，发射出荧光，在一定的条件下发生激光。

这是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。

基于半导体光放大器的可扩展型光开关矩阵(精)

基于半导体光放大器的可扩展型光开关矩阵(精)

第27卷第4期2003年8月激光技术LASERTECHNOLOGYVol.27,No.4August,2003文章编号:100123806(2003)0420288205基于半导体光放大器的可扩展型光开关矩阵3缪庆元1胡振华1,2王涛1黄德修1刘德明1(1华中科技大学光电子工程系激光技术国家重点实验室,武汉,430074)(2武汉理工大学物理学系,武汉,430063)摘要:未来的高速和高度灵活的光分组交换网络要求开关速度达到纳秒量级且集成度高的大规模空间光开关矩阵。

在分析了基于半导体光放大器的常用结构形式的光开关矩阵存在规模局限性的基础上,综述了新型的可实现大规模集成的基于半导体光放大器的光开关矩阵的基本原理和研究现状。

关键词:大规模光开关矩阵;半导体光放大器;插入损耗;串扰;载流子注入;折射率变化中图分类号:TN365文献标识码:A ScalableopticalswitcharraybasedonsemiconductoramplifierMiaoQingyuan,HuZhenhua1,2,Wang,Lng111(1NationalLaboratoryofLaserTechnology,Department,430074)(2DepartmentofPhysical,430063)Abstract:Opticalcanswitchtimeasthedevicesareintegratedtolargerandlargermeetspeedand agileroutingofpacketsinfutureopticalpacketswitchingnetworks.scalablelimitationstoward ordinaryopticalspaceswitchmatrixbasedonsemiconductoropticalamplifier,basicprinciples ofnovelarrayswhichcanbeeasilyscaledtosignificantlylargersizesarepresented,aswellasthei rprogress.Keywords:large2scaleopticalswitcharray;semiconductoropticalamplifier;insertionloss;cr osstalk;carrierinjection;refractiveindexchange引言随着密集波分复用系统的成熟及大量被投入使用,高速大容量光传输得以实现,从而强烈地推动着光交换向前发展。

半导体激光器的最新进展及应用现状

半导体激光器的最新进展及应用现状

半导体激光器的最新进展及应用现状发表时间：2018-11-11T11:02:03.827Z 来源：《电力设备》2018年第18期作者：黄志焕[导读] 摘要：随着半导体技术的发展，半导体激光器所涉及的领域也在不断扩展，其应用领域的范围已覆盖光电子学的很多方面，半导体激光器已成为光电子学的核心器件之一。

(天津环鑫科技发展有限公司 300384) 摘要：随着半导体技术的发展，半导体激光器所涉及的领域也在不断扩展，其应用领域的范围已覆盖光电子学的很多方面，半导体激光器已成为光电子学的核心器件之一。

由于半导体激光器具有体积小、寿命长、电光转换效率高、调制速度快、波长范围宽和易于集成等优点，在光互连、光通信、光存储等方面具有广泛的应用。

关键词：半导体激光器；最新进展；应用现状 1半导体激光器研究的意义半导体激光器的研究是我国光电技术研究的重要内容，是国家重点提出并且一直在努力寻求新的突破的领域。

就当前半导体激光器研究的意义来看，对国家的发展具有重要的现实意义。

与此同时，半导体激光器在各行各业的应用都十分广泛，并且呈现出以每年20％以上的增长速度，比如，军师领域的激光雷达、制导以及医疗、通讯、光盘等都开始应用半导体激光器。

其涉及领域之广，扩展速度之快，应用价值之强，是被广泛认可的。

近年来，随着信息科技的不断发展，人们对半导体激光器的性能要求越来越高，传统的半导体激光器在具体的实践应用当中已经表现出明显的不足之处。

因此进行半导体激光器的研究，不短提升半导体激光器的现代化水平，具有重要的现实意义。

2半导体行业半导体器件是电子电路中必不可少的组成成分。

半导体是人们为了生产生活需要,将两物质按照电学性质进行分类时确定的一个名称。

它的导电性介于导体和绝缘体之间。

半导体导电性能全是由其原子结构决定的。

以元素半导体硅和锗为例,其原子序列分别是14和32,它们两个最外层电子数都是4。

半导体具有自由电子和空穴两种载流子。

而半导体的性质不同于导体和绝缘体,就是因为半导体拥有的载流子数目不同而载流子是能够运动的荷电粒子。