聚合物光波導(dǎo)的受激輻射特性研究.pdf

1、共軛聚合物材料具有熒光量子效率高、受激發(fā)射截面大、吸收光譜與發(fā)射光譜交疊區(qū)小、制備工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是非常理想的激光增益介質(zhì)。近年來(lái)，聚合物激光已經(jīng)成為有機(jī)發(fā)光領(lǐng)域引人注目的研究方向。然而，實(shí)現(xiàn)注入式電泵浦激光器仍然是巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)聚合物材料的受激輻射閾值較高、金屬電極引起光學(xué)損耗較大等問題，本論文研究了以共軛聚合物MEH-PPV光波導(dǎo)作為增益介質(zhì)，圍繞著如何降低聚合物光波導(dǎo)的放大的自發(fā)輻射(ASE)閾值、減少金屬電極損耗、基于聚合物受

2、激輻射進(jìn)行電場(chǎng)調(diào)制應(yīng)用等方面開展了以下幾個(gè)方面的工作：
　　1.利用溶劑蒸汽處理、電場(chǎng)生長(zhǎng)和納米摻雜對(duì)薄膜形貌、內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)中分布反饋進(jìn)行了改善，有效地降低了聚合物光波導(dǎo)的受激輻射閾值。
　　(1)利用不同溶劑蒸汽對(duì)聚合物薄膜進(jìn)行處理改善聚合物薄膜的形貌。研究結(jié)果表明，溶劑蒸汽改變了有機(jī)溶劑的蒸發(fā)速率和聚合物分子自組裝，薄膜的表面粗糙度明顯降低，大約降低了一倍。從薄膜的AFM圖中可知，氯仿的作用更為明顯，薄膜表面粗糙度

3、變低，光在MEH-PPV波導(dǎo)中的傳播損耗降低，薄膜的受激輻射閾值更低，增益更高。
　　(2)利用垂直電場(chǎng)下制備聚合物薄膜改變薄膜內(nèi)部分子排列。在旋涂過(guò)程中，合適電場(chǎng)作用下聚合物分子產(chǎn)生了取向，使聚合物分子鏈沿水平方向定向排列，減小了光子在鏈間的傳輸損耗，提高了凈增益系數(shù)，受激輻射閾值降低了21％，使電場(chǎng)作用下制備的MEH-PPV薄膜更容易實(shí)現(xiàn)受激輻射。
　　(3)摻入適量的TiO2納米顆粒到MEH-PPV薄膜中有利于薄膜的受

4、激發(fā)射光在納米顆粒間形成隨機(jī)諧振腔，出現(xiàn)隨機(jī)激光。增加了單位長(zhǎng)度的增益，提高了增益系數(shù)，降低了激射閾值。
　　2.選取不同的金屬作為電極，探究金屬電極影響聚合物光波導(dǎo)受激輻射的因素。
　　(1)研究了以金屬銀作為襯底的聚合物光波導(dǎo)受激輻射特性。研究發(fā)現(xiàn)，Ag電極對(duì)受激輻射有猝滅作用，該結(jié)構(gòu)的受激輻射閾值比沒有金屬電極襯底的聚合物薄膜高6.5倍。研究結(jié)果表明聚合物的厚度對(duì)受激輻射的影響很大。當(dāng)聚合物薄膜的厚度較低時(shí)，金屬電極對(duì)

5、發(fā)光猝滅：很嚴(yán)重，但隨著MEH-PPV薄膜厚度增加，猝滅現(xiàn)象減弱。由此可知在發(fā)光層與金屬電極附近光生激子的猝滅影響了受激輻射。
　　(2)研究了不同金屬電極對(duì)聚合物光波導(dǎo)受激輻射的影響。當(dāng)以高折射率的Al金屬作為電極時(shí)，光譜窄化的現(xiàn)象完全消失，受激輻射被Al電極猝滅。當(dāng)電極為低折射率的金屬層Ag或Cu時(shí)，出現(xiàn)受激輻射現(xiàn)象。但由于金屬電極對(duì)發(fā)光的吸收損耗，金屬覆層聚合物光波導(dǎo)的受激輻射閾值增大。當(dāng)在活性層和電極之間鍍一層SiO2絕緣

6、層時(shí)，高折射率的Al金屬作為襯底的聚合物光波導(dǎo)的受激輻射現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)。由于不同金屬電極的對(duì)光的吸收系數(shù)不同，器件的受激輻射閾值不同。研究結(jié)果表明，折射率低、反射率高的Ag電極制備的聚合物光波導(dǎo)受激輻射器件的增益最高、閾值最低。
　　3.設(shè)計(jì)了用MEH-PPV作為光功能層、以SiO2為輔助層，雙電極包裹的光波導(dǎo)器件，研究了電場(chǎng)調(diào)制下ASE。
　　(1)研究了器件ITO/SiO2/MEH-PPV/SiO2/Al在電場(chǎng)下的受激輻射的特

7、性。研究顯示，MEH-PPV發(fā)射光譜除了在620nm處出現(xiàn)受激輻射，在580nm處出現(xiàn)明顯的自發(fā)輻射肩峰。在電場(chǎng)作用下，受激輻射和自發(fā)輻射的電場(chǎng)猝滅現(xiàn)象出現(xiàn)，原因是在電場(chǎng)的作用下，激子離化的作用使發(fā)光強(qiáng)度降低。相比之下，受激輻射比自發(fā)輻射在電場(chǎng)下猝滅更為明顯。我們通過(guò)理論分析，給出了自發(fā)輻射與放大自發(fā)輻射和電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。此機(jī)制可用于電場(chǎng)調(diào)制光放大器。
　　(2)研究了在不同厚度SiO2包覆的MEH-PPV光波導(dǎo)的受激輻射特性。隨

8、著SiO2層厚度的增加，MEH-PPV光波導(dǎo)的受激輻射發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng)。研究表明，SiO2包裹層從50 nm增加到100 nm，MEH-PPV光波導(dǎo)的有效折射率提高，100nm厚的SiO2包裹層的器件的受激輻射閾值比50 nm厚的SiO2包裹層的器件降低了2.5倍。
　　(3)基于上述的研究結(jié)果優(yōu)化了電場(chǎng)調(diào)制聚合物受激輻射的器件結(jié)構(gòu)，以折射率低、反射率高的Ag作為電極。研究結(jié)果表明Ag電極降低了光波導(dǎo)傳播損耗。在高電場(chǎng)的作用下，激子離