CN100423390C - 有机垂直腔激光器阵列装置 - Google Patents

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CN100423390C CNB2004800205260A CN200480020526A CN100423390C CN 100423390 C CN100423390 C CN 100423390C CN B2004800205260 A CNB2004800205260 A CN B2004800205260A CN 200480020526 A CN200480020526 A CN 200480020526A CN 100423390 C CN100423390 C CN 100423390C
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Abstract

一种用于产生多模激光输出的垂直腔激光器阵列装置(100)，包括：衬底(110)；在预定波长范围反射光的、设置在所述衬底上的底部介质叠层(120)；以及用于产生激光的激活区(130)。顶部介质叠层(140)与所述底部介质叠层(120)分隔，在预定波长范围反射光。所述激活区(130)包含一个或多个周期增益区和配置在周期增益区两侧的隔层(170)。所述周期增益区(160)与所述装置的驻波电磁场的波腹对准。所述装置包含彼此间隔的激光器像素的阵列，所述像素具有高于像素间区域的反射率。所述彼此间隔的激光器像素具有不同的尺寸，且像素之间的间隔具有相同或不同的长度，以使所述垂直腔激光器阵列装置产生多模激光输出(190)。

Description

有机垂直腔激光器阵列装置
发明领域
本发明涉及一种有机垂直腔激光发生装置。
发明背景
自80年代中期以来，就已经发展了基于无机半导体(例如AlGaAs)的各种垂直腔表面发射激光器(VCSEL)(K.Kinoshita等，IEEE J.Quant.Electron.QE-23，882[1987])。有很多公司已可制造可发射850nm波长激光的基于AlGaAs的各种VCSEL并具有超过100年的寿命(K.D.Choquette等，Proc.IEEE85，1730[1997])。随着这些近红外激光器的成功，近年来人们的注意力已经转向其它无机材料系以生产可在可见波长范围发射的各种VCSEL(C.Wilmsen等，Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，Cambridge UniversityPress，Cambridge，2001)。可见光激光器有许多极具成效的应用，例如显示器、读/写光存储器，激光打印以及使用塑料光纤(T.Ishigure等，Electron.Lett.31，467[1995])的短程电信。尽管世界范围的许多工业和研究实验室已完成了一些工作，但要制造出跨越可见光谱的适用的激光二极管(无论是边缘辐射体或是VCSEL)仍有许多工作要做。
在致力于制造各种可见波长的VCSEL时，由于有机基增益材料可具有低的非泵浦散射(unpumped scattering)/吸收损失以及高的量子效率，放弃无机基系材料而集中关注有机基系材料是有利的。同无机激光器系统相比，有机激光器造价相对便宜，可被制成能在整个可见光范围发射，可被制成任意的尺寸，最重要的是能够从一个单片发射多个波长(例如红、绿和蓝)。
通常的制造激光二极管系统的途径是使用电注入而不是用光泵浦在装置的激活区产生必需的粒子数反转。这是无机系统的情况，因为它们对于大面积装置的光泵浦阀值(P.L.Gourley等，Appl.Phys.Lett.54，1209[1989])约为104W/cm2。如此高的功率密度只能通过使用其他激光器作为泵浦源才能达到，因此所述用于无机激光腔的途径不再适用。非泵浦有机激光器系统大量降低了在激光辐射波长上的散射和吸收损耗(～0.5cm-1)，尤其是在使用基质-掺杂剂混合物作为激活介质时更是如此。结果，应可达到低于1W/cm2的光泵浦功率密度阀值，尤其是在使用基于VCSEL的微腔设计以最大程度减少激活容积(导致较低的阀值)时更是如此。要求功率密度阀值低于1W/cm2的重要性在于使得用低廉的、现有的非相干LED的激光腔来光泵浦激光腔成为可能。
为了从有机VCSEL装置产生多模毫瓦激光输出功率，发射面积的直径通常必须约为10μm。结果，1mW的输出功率要求由产生～4000W/cm2的源(假设25％的功率转化率)来对装置进行光泵浦。这种功率密度级(和像素尺寸)远超出LED的容量，此外若是以连续波方式驱动，还极有可能产生一些有机物质的降解问题。一种解决该问题的途径是扩大有机激光器发射面直径至约350μm，这样将降低泵浦功率密度至4W/cm2(产生1mW的输出功率)。该功率密度级和像素尺寸可通过非定制的400nm无机LED获得。遗憾的是，具有350μm直径发射面积的大面积激光器会导致细丝状(filamented)多模激光输出(这是很难控制的)或导致谐振腔LED作用(该作用不是在产生激光)。不管哪一种情况，功率转换效率均会降低。
发明内容
本发明的一个目标是生产大面积有机VCSEL装置，该装置具有理想的功率转换效率和可控的多模激光输出。
本发明的另一个目标是提供一种制造有机表面发射激光器配置的方法，该配置特别适用于使得能够从随机尺寸的、微米间隔的有机激光器像素组成的二维阵列发出多模激光。
通过用于产生多模激光输出的一种有机垂直腔激光器阵列实现了这些目标，该装置包括：
a)衬底；
b)放置在所述衬底上的、反射预定范围内的光的底部介质叠层；
c)产生激光的激活区；
d)与底部介质叠层分隔的、反射预定范围内的光的顶部介质叠层；
e)所述激活区包括一个或多个周期增益区和配置在周期增益区两边的隔层，并被配置成使得周期增益区与装置的驻波电磁场的波腹对准；
f)提供彼此间隔的激光器像素的阵列的装置，这些像素具有比像素间区域更高的反射率；以及
g)彼此分隔的激光器像素，具有不同尺寸，且像素之间的间隔具有相同或不同的长度，以使垂直腔激光器阵列装置产生多模激光输出。
本发明的一个优点是提供了制造一种二维有机激光器阵列装置的方法，该装置采用随机尺寸、微米间隔的激光器像素，这些像素可以由大面积的驱动源驱动而产生多模激光输出。所述装置采用微腔设计，其中包括顶部和底部反射器的高反射率介质叠层，并具有包含有机材料的增益介质。通过调制底部介质叠层的反射率而设置所述装置的微米尺寸的激光器像素。作为随机改变激光器像素的位置、尺寸和间隔的结果，通过对底部介质叠层的蚀刻，可以获得这样一种激光辐射，与激光器像素周期阵列相比，该激光辐射的光谱宽度和角分布有所减小。
附图的简要说明
图1示出一种根据本发明制造的光泵浦有机垂直腔激光器二维阵列的示意侧视图，其反射率调制通过蚀刻底部介质叠层的上表面而实现；
图2示出一种根据本发明制造的光泵浦有机垂直腔激光器二维阵列的示意顶视图；
图3示出根据本发明制造的光泵浦有机垂直腔激光器二维阵列的另一实施例，它包含一个平面化层；
图4示出一种根据本发明制造的光泵浦有机垂直腔激光器二维阵列的示意侧视图，其反射率调制通过蚀刻底部介质叠层的第一部分的上表面而实现；
图5示出了根据本发明制造的图4中的光泵浦二维有机垂直腔激光器阵列的另一个实施例，它集成了一个平面化层；
图6示出光强度和波长的关系图，并将光泵浦的有机垂直腔激光器二维阵列的激光辐射光谱描述为试样的倾角的函数。
具体实施方式
为实现能发出光谱和角度均变窄的多模激光的大面积激光器结构，需要构建如图1示意性地示出的、根据本发明设计的一种二维激光器阵列装置100。图2示出了该二维激光器阵列装置100的示意顶视图，其中，需要在VCSEL的表面定义由像素间区域210分隔的、发射激光的像素200。如果需要发射单模激光，则需要对从各个像素发出的激光进行锁相，即在像素之间应交换各自的强度和相位信息(E.Kapan和M.Orenstein，美国专利5,086,430)。此外像素需要为相同大小，且它们应当设置在一个周期阵列中。对于锁相的二维VCSEL结构，用于定义激光器像素的常见手段是或通过加入金属(E.Kapan和M.Orenstein，美国专利5,086,430)或对顶部介质叠层进行深入蚀刻(P.L.Gourley等人，Appl.Phys.Lett.58，890[1991])来调制顶部介质叠层的反射率。在两种均为无机激光器阵列的例中，激光器像素的宽度约为3-5μm(以激发单模激光)，而像素间隔为1-2μm。将这些结果应用于有机激光系统时要小心，因为一旦淀积形成了有机层，在激光结构上形成微米级的图案便变得非常困难。结果，在优选实施例中需要对底部介质叠层的反射率进行调制。已经发现，难以对通过加入金属来调制反射率的做法进行控制，因为调制仅对非常窄(＜1nm)的波长范围有效。因此，在本实施例中，调制是通过对底部介质叠层进行二维蚀刻来实现的，这使得像素间区域210与底部介质叠层的被蚀刻区域(在激光波长上具有较低的反射率)相对应，而未蚀刻区域(在激光波长上具有较高的反射率)与激光器像素200对应。形成激光器像素200的一维阵列是可能的，尽管在大多数情况下并不希望这样做，因为这样将使得输入的光泵浦射束功率的转换率变差。
尽管通过反射率调制来形成激光器像素200在最好的情况下能导致锁相的单模激光辐射，然而若锁相仅是局部的，或者若更高阶的模式占优，则会发生多模激光辐射。对于其增益区被均匀泵浦的光驱动激光器阵列结构而言，当激光器像素周期地设置在二维阵列上时，更高阶阵列模式的出现是很难避免的。更确切地说，想要的最低阶阵列模式是通过在同一激光器像素上的垂直(垂直于装置表面)谐振出现的，而更高阶的阵列模式则是通过相邻激光器像素上的倾斜谐振出现的。随着阵列模式阶数的增大，所述谐振的倾斜角也越来越大，且各次通过所耦合的激光器像素的间隔变得越来越大。这些高阶的阵列模式对于装置输出的影响是，尽管每个阵列模式的光谱宽度非常窄，但这些阵列模式的合计范围可超过20nm。此外，由于高阶的阵列模式以增大的角度离开装置表面，这些模式合计的角度范围也得到了扩大。考虑到对这些关于高阶阵列模式的讨论，得到一种最小化这些模式的手段：随机确定激光器像素的尺寸并将它们彼此分隔，同时将它们随机地放置在一个二维阵列中。这种类型的激光器像素配置如图2所示。在实践中，像素的尺寸和位置是随机选定的，这导致了像素之间的随机间隔。这种随机化过程的结果是，高阶阵列模式被最小化，因为当激光的通道相对于装置表面发生倾斜时，它的每次经过将遇到不同的像素环境。另一种可能的激光器像素200配置是随机确定激光器像素的大小，同时将它们的中心保持在一个周期的二维阵列上。
再来看图1，取决于光泵浦和激光辐射的预期方向，衬底110可以是透光的也可以是不透光的。衬底110可以是透明的玻璃或塑料。此外，不透明的衬底包括(但不限于)半导体材料(如硅)或陶瓷材料，这些材料可被用于光泵浦和激光辐射从同一表面发生的场合。在衬底110上淀积底部介质叠层120，该叠层由高/低反射系数的电介质材料交替构成。通常，底部介质叠层120用来反射预定波长范围内的激光。典型的高/低反射系数的材料分别是TiO2和SiO2。通过标准电子束(电子束)淀积法或溅镀法来淀积形成底部介质叠层120，其中典型的电子束淀积法温度为240℃。在有额外的介质层加入到底部叠层以将泵浦射束180反射回激活区130的场合，这些电介质层将被首先淀积在底部介质叠层120上。
为调制底部介质叠层120的反射率，通过标准光刻法和蚀刻技术在叠层的表面形成了一个被蚀刻区150，从而在底部介质叠层120的表面上形成由随机尺寸的圆柱组成的二维随机阵列。在优选实施例中，激光器像素的形状是圆形的，然而，其他像素形状也是可能的，如矩形。这些激光器像素的直径可以在2.5至20μm之间。然而，为使得化激光输出的角度扩展最小，从单个像素发出的激光应当保持为单模，这要求将像素的直径限制在2.5至3.5μm之间。至于像素之间的间隔，优选的范围是0.25至4μm。然而，在给定标准光刻工艺的局限以及想要得到最大化功率转换效率的条件下，更为优选的像素间隔是0.5至1.0μm。通过试验已经确定，应当将底部介质叠层120的一个或两个周期去除来构建被蚀刻区150。比这更深的蚀刻深度通常会导致较差性能的激光器阵列。至于创建如图2所示的随机像素配置，可以使用本领域通常采用的随机装填算法来形成含有随机尺寸的和随机定位的圆圈的光刻掩模。
激活区130淀积在底部介质叠层120的被蚀刻表面上。图1示出，激活区130不是一个大块的层，而是一种多层复合物。根据Brueck等人(美国专利4,881,236)关于无机激光器的建议，激活区130包括一个或多个周期增益区160，这些区域被隔层170分开。周期增益区160的厚度通常小于50nm，最好为5至30nm。选择隔层170的厚度以使得周期增益区160与激光腔的驻波电磁场(电场)的波腹对准。在激活区中采用周期增益区导致了较大的功率转换效率，并极大地降低了不想要的自激发射。总之，激活区130包括一个或多个周期增益区160和配置在周期增益区160两侧的隔层170，使周期增益区与装置的驻波电磁场的波腹对准。
周期增益区160由小分子量的有机材料或聚合有机材料构成，这些材料能以较高的量子效率发出荧光。一般用高真空(10-6托)热蒸法来淀积所述小分子量的有机材料，而通常用自旋铸塑(spincasting)的方法来形成共轭聚合物。
除非另外特别说明，否则使用术语“取代的”或者“取代基”表示除氢以外的任何基团或原子。此外，当使用术语“基团”时，表示当取代基团含有可取代的氢时，其不仅包括取代基未被取代的形式，而且包括进一步被任何取代基团或者如在此提及的基团取代的形式，只要所述取代基不破坏装置使用所必需的特性即可。适宜的取代基团可为卤素或者可以通过碳、硅、氧、氮、磷、硫、硒或者硼原子连接到分子残基上。取代基可为如氯、溴或氟的卤素；硝基；羟基；氰基；羧基；或者为可被进一步取代的基团，例如烷基，包括直链、支链或者环状烷基，如甲基，三氟甲基，乙基，叔丁基，3-(2，4-二-叔戊基苯氧基)丙基以及十四烷基；烯基，例如乙烯基，2-丁烯；烷氧基，例如甲氧基，乙氧基，丙氧基，丁氧基，2-甲氧基乙氧基，仲丁氧基，己氧基，2-乙基己氧基，十四烷氧基，2-(2，4-二-叔戊基苯氧基)乙氧基以及2-十二烷氧基乙氧基；芳基例如苯基，4-叔丁基苯基，2，4，6-三甲基苯基，萘基；芳氧基，例如苯氧基，2-甲基苯氧基，α或者β-萘氧基，以及4-甲苯氧基；碳酰氨基例如乙酰氨基，苯甲酰氨基，丁酰氨基，十四酰氨基，α-(2，4-二-叔戊基-苯氧基)乙酰氨基，α-(2，4-二-叔戊基苯氧基)丁酰氨基，α-(3-十五烷基苯氧基)-己酰氨基，α-(4-羟基-3-叔丁基苯氧基)-十四酰氨基，2-氧代-吡咯烷-1-基，2-氧代-5-十四烷基吡咯啉-1-基，N-甲基十四酰氨基，N-琥珀酰亚氨基，N-邻苯二甲酰亚氨基，2，5-二氧代-1-噁唑烷基，3-十二烷基-2，5-二氧代-1-咪唑基，以及N-乙酰基-N-十二烷基氨基，乙氧基羰基氨基，苯氧基羰基氨基，苄氧基羰基氨基，十六烷氧基羰基氨基，2，4-二-叔丁苯氧基羰基氨基，苯基羰基氨基，2，5-(二-叔戊基苯基)羰基氨基，对十二烷基-苯基羰基氨基，对甲苯基羰基氨基，N-甲基脲基，N，N-二甲基脲基，N-甲基-N-十二烷基脲基，N-十六烷基脲基，N，N-双十八烷基(dioctadecyl)脲基，N，N-二辛基-N’-乙基脲基，N-苯基脲基，N，N-二苯基脲基，N-苯基-N-对甲苯基脲基，N-(间-十六烷基苯基)脲基，N，N-(2，5-二叔戊基苯基)-N’-乙基脲基以及叔丁基碳酰氨基；磺酰氨基，例如甲基磺酰氨基，苯基磺酰氨基，对甲苯基磺酰氨基，对十二烷基苯基磺酰氨基，N-甲基十四烷基磺酰氨基，N，N-二丙基-磺酰氨基，以及十六烷基磺酰氨基；氨磺酰基，例如N-甲基氨磺酰基，N-乙基氨磺酰基，N，N-二丙基氨磺酰基，N-十六烷基氨磺酰基，N，N-二甲基氨磺酰基，N-[3-(十二烷氧基)丙基]-氨磺酰基，N-[4-(2，4-二-叔戊基苯氧基)丁基]氨磺酰基，N-甲基-N-十四烷基氨磺酰基以及N-十二烷基氨磺酰基；氨基甲酰基，例如N-甲基氨基甲酰基，N，N-二丁基氨基甲酰基，N-十八烷基氨基甲酰基，N-[4-(2，4-二-叔戊基苯氧基)丁基]氨基甲酰基，N-甲基-N-十四烷基氨基甲酰基以及N，N-二辛基氨基甲酰基；酰基，例如乙酰基，(2，4-二-叔戊基苯氧基)乙酰基，苯氧基羰基，对十二烷氧基苯氧基羰基甲氧基羰基，丁氧基羰基，十四烷氧基羰基，乙氧基羰基，苄氧基羰基，3-十五烷氧基羰基以及十二烷氧基羰基；磺酰基，例如甲氧基磺酰基，辛氧基磺酰基，十四烷氧基磺酰基，2-乙基己氧基磺酰基，苯氧基磺酰基，2，4-二-叔戊基苯氧基磺酰基，甲基磺酰基，辛基磺酰基，2-乙基己基磺酰基，十二烷基磺酰基，十六烷基磺酰基，苯磺酰基，4-壬基苯磺酰基以及对甲苯基磺酰基；磺酰氧基，例如十二烷基磺酰氧基以及十六烷基磺酰氧基；亚硫酰基，例如甲基亚硫酰基，辛基亚硫酰基，2-乙基己基亚硫酰基，十二烷基亚硫酰基，十六烷基亚硫酰基，苯基亚硫酰基，4-壬基苯基亚硫酰基以及对甲苯基亚硫酰基；烷硫基(thio)，例如乙硫基，辛硫基，苄硫基，十四烷硫基，2-(2，4-二-叔戊基苯氧基)乙硫基，苯硫基，2-丁氧基-5-叔辛基苯硫基以及对甲苯硫基；酰氧基，例如乙酰氧基，苯甲酰氧基，十八酰氧基，对十二烷基酰氨基苯甲酰氧基，N-苯氨基甲酰氧基，N-乙基氨基甲酰氧基以及环己基羰基氧基；胺，例如苯基苯氨基，2-氯苯氨基，二乙胺，十二烷基胺；亚氨基，例如1-(N-苯基亚氨基)乙基，N-琥珀酰亚氨基或者3-苄基乙内酰脲基；磷酸盐，例如二甲基磷酸盐以及乙基丁基磷酸盐；亚磷酸盐，例如二乙基和二己基亚磷酸盐；杂环基团，杂环氧基或者杂环硫基，其中的每一个均可被取代，且含有由碳原子和至少一个选自氧、氮、硫、磷或者硼的杂原子组成的3-7杂环，例如2-呋喃基，2-噻吩基，2-苯并咪唑氧基或者2-苯并噻唑基；季铵，例如三乙铵；季鏻基，例如三苯基鏻基；以及甲硅烷氧基，例如三甲基甲硅烷氧基。
如果需要，上述取代基本身还可以用所描述的取代基团取代一次或多次。可以由那些业内行家来选择使用的特定取代基来为具体的应用获得理想性质，这些取代基可以包括如吸电子基团、供电子基团和空间位阻基团。当一个分子具有一个或多个取代基时，除非另行配置，可以将这些取代基连接成环，如稠环。一般地，以上基团和它们的取代基可以包括具有48个碳原子的，通常是具有1至36个碳原子的、一般小于24个碳原子的基团和取代基，但是更多个数的碳原子也是可能的，这取决于选择的特定取代基。取代可以包括(但不限于)稠环衍生物，如苯环、二苯环、萘环、二萘环稠合的衍生物。这些稠环衍生物还可被进一步取代。
周期增益区160(或发射材料)可以由一种单一的主体材料组成，但更为常见的是由包括搀杂有客体化合物(掺杂剂)或化合物的主体材料组成，其中光发射主要来自于搀杂剂，且可以为任何颜色。这些主体材料-搀杂剂混合是有利的，因为它们使得增益介质的非泵浦散射/吸收损耗非常小(可以小于1cm-1)。搀杂剂通常选自高荧光性染料，但是磷光化合物如在WO 98/55561，WO 00/18851，WO 00/57676和WO 00/70655中所述的应用于OLED的过渡金属络合物也是有用的。在主体材料中一般涂渍其重量的0.01％至10％的搀杂剂，其中，可以对这些搀杂剂进行选择，使得它们能发出红色、绿色或是蓝色的色调。一例有用的红光发射层的主体材料-搀杂剂混合是以Alq作为主体材料、以1％的L39[4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基-julolidyl-9-enyl)-4H-吡喃]为搀杂剂。
选择某染料作为搀杂剂时考虑的一种重要关系是该搀杂剂材料的吸收和主体材料的发射之间的比较。要实现从主体材料到搀杂剂分子的高效能量传递(通过Forster能量传递)，必要的条件是搀杂剂的吸收将主体材料的发射覆盖。业内行家熟悉Forster能量传递的概念，该传递包含主体材料和搀杂剂分子之间的无辐射能量传递。选择主体材料时考虑的一种重要关系是主体材料的吸收基本上将泵浦光束180的发射光谱覆盖。此外，最好主体材料或主体材料加搀杂剂的吸收在装置100的激光辐射波长上较小。一个可接受的吸收水平是主体材料加搀杂剂的吸收系数在激光辐射波长上小于10cm-1。
有用的荧光发射材料包括如I.B.Berlman在其“Handbook ofFluorescene Spectra of Aromatic Molecules”，Academic Press，New York，1971 and EP 1009041中所述的多环芳香化合物。可以使用具有超过两个胺基团的芳香叔胺，包括低聚物质。
另一类有用的发射物质(对于主体材料或搀杂剂)包括芳香叔胺，已经懂得后者是一种包含至少一个只与碳原子结合的三价氮原子的化合物，且碳原子中的至少一个是一芳环中的原子。一种形式的芳香叔胺可以是芳基胺，如单芳基胺、二芳基胺、三芳基胺或低聚芳基胺。在Klupfel等人的美国专利3,180,730中说明了示例的单体三芳基胺。在Brantley等人的美国专利3,567,450和3,658,520中公开了被一个或多个乙烯基取代的和/或包括至少一个含活性氢基团的其它合适的三芳基胺。
一种更优选的芳族叔胺为那些包括至少两个如美国专利4,720,432和美国专利5,061,569中所述的芳族叔胺部分的芳族叔胺。这些化合物包括结构式(A)表示的那些：
Figure C20048002052600141
其中：
Q1和Q2各自独立选自芳族叔胺部分，且
G为连接基团，如亚芳基、亚环烷基或碳碳键的亚烷基。
在一个实施方案中，Q1或Q2中至少一个包含多环稠环结构(例如萘)。当G为芳基时，常用亚苯基、亚联苯基或亚萘基部分。
满足结构式A并包含两个三芳基胺部分的一类有用的三芳基胺用结构式B表示：
Figure C20048002052600142
其中：
R1和R2各自独立代表氢原子、芳基或烷基，或者R1和R2一起代表组成环烷基的原子；且
R3和R4各自独立代表芳基，该芳基又被结构式C所示的二芳基取代的氨基取代：
其中R5和R6独立地选自芳基。在一个实施方案中，R5和R6中至少一个包含多环稠环结构，例如萘。
主体材料可包含取代或未取代的三芳基胺化合物。另一类芳族叔胺为四芳基二胺。理想的四芳基二胺包含两个如式C所示的通过亚芳基连接的二芳基氨基。有用的四芳基二胺包括式D所示的那些化合物：
Figure C20048002052600152
其中：
Are各自独立选自亚芳基，例如亚苯基或蒽部分，
n为1-4的整数，且
Ar、R7、R8和R9为独立选择的芳基。
在一个典型的实施方案中，Ar、R7、R8和R9中至少一个为多环稠环结构，例如萘。
上述结构式A、B、C、D中的各种烷基、亚烷基、芳基和亚芳基部分均可再被取代。典型的取代基包括烷基、烷氧基、芳基、芳氧基和卤素(如氟、氯和溴)。各种烷基和亚烷基部分通常包含1至约6个碳原子。环烷基部分可包含3至约10个碳原子，但通常环上包含5、6或7个碳原子(例如环戊基、环己基和环庚基环结构)。芳基和亚芳基部分通常为苯基和亚苯基部分。
发射材料可由单种芳族叔胺化合物或多种芳族叔胺化合物的混合物形成。具体地讲，可使用三芳基胺(如满足式B的三芳基胺)与如式D所示的四芳基二胺结合。主体材料可包括取代或未取代的二咔唑-联苯化合物。有用的芳族叔胺的实例如下：
4，4’-N，N’-二咔唑-1，1’-联苯(CBP)(D1)
4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]联苯(D2)
4，4’-双[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基]联苯(D3)
4，4’-双[N-(2-萘基)-N-对甲苯基氨基]联苯(D4)
1，1-双(4-二-对甲苯基氨基苯基)环己烷
1，1-双(4-二-对甲苯基氨基苯基)-4-苯基环己烷
4，4’-双(二苯基氨基)四联苯(quadriphenyl)
双(4-二甲基氨基-2-甲基苯基)苯基甲烷
N，N，N-三(对甲苯基)胺
4-(二-对甲苯基氨基)-4’-[4(二-对甲苯基氨基)苯乙烯基]二苯乙烯
N，N，N’，N’-四对甲苯基-4，4’-二氨基联苯
N，N，N’，N’-四苯基-4，4’-二氨基联苯
N，N，N’，N’-四-1-萘基-4，4’-二氨基联苯
N，N，N’，N’-四-2-萘基-4，4’-二氨基联苯
N-苯基咔唑
4，4”-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]-对三联苯
4，4’-双[N-(2-萘基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(3-苊基)-N-苯基氨基]联苯
1，5-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘
4，4’-双[N-(9-蒽基)-N-苯基氨基]联苯
4，4”-双[N-(1-蒽基)-N-苯基氨基]-对三联苯
4，4’-双[N-(2-菲基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(8-荧蒽基(fluoranthenyl))-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(2-芘基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(2-并四苯基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(2-苝基)-N-苯基氨基]联苯
4，4’-双[N-(1-蔻基)-N-苯基氨基]联苯
2，6-双(二-对甲苯基氨基)萘
2，6-双[二-(1-萘基)氨基]萘
2，6-双[N-(1-萘基)-N-(2-萘基)氨基]萘
N，N，N’，N’-四(2-萘基)-4，4”-二氨基-对三联苯
4，4’-双{N-苯基-N-[4-(1-萘基)-苯基]氨基}联苯
4 ，4’-双[N-苯基-N-(2-芘基)氨基]联苯
2，6-双[N，N-二(2-萘基)氨基]芴
1，5-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]萘
4，4’，4”-三[(3-甲基苯基)苯基氨基]三苯胺
主体材料可以包括取代或者未取代的氮杂-芳香化合物。例如，主体材料可以包括取代或者未取代的吖啶、喹啉、嘌呤、吩嗪、吩g噁嗪或者邻二氮杂菲化合物。咔唑衍生物可用作基质。有用的邻二氮杂菲材料的实例包括2，9-二甲基-4，7-二苯基-1，10-邻二氮杂菲和4，7-二苯基-1，10-邻二氮杂菲。
基质和掺杂物分子包括但不局限于美国专利4,768,292、美国专利5,141,671、美国专利5,150,006、美国专利5,151,629、美国专利5,4 05,709、美国专利5,484,922、美国专利5,593,788、美国专利5,645,948、美国专利5,683,823、美国专利5,755,999、美国专利5,928,802、美国专利5,935,720、美国专利5,935,721和美国专利6,020,078中公开的那些内容。
8-羟基喹啉的金属络合物以及类似的衍生物(式E)为一类有用的能支持电致发光的主体材料，并且具体适用于波长大于500nm的光发射，例如绿色、黄色、橙色和红色。
Figure C20048002052600171
其中：
M代表金属；
n为1至3的整数；且
Z每次出现时独立代表构成具有至少2个稠合芳环的核的原子。
由上可知，显然所述金属可为一价、二价、三价或四价金属。所述金属例如可为碱金属，如锂、钠或钾；碱土金属，如镁或钙；土族金属，如铝或镓；或过渡金属，如锌或锆。通常可使用任何已知可用作螯合金属的一价、二价、三价或四价金属。
Z构成包含至少两个稠合芳环的杂环核，其中至少一个为吡咯或吖嗪环。如果需要，其他环(包括脂族环和芳族环)可与两个所需环稠合。为了避免在没有改善功能的情况下增加分子体积，环上的原子数目通常保持为18个或更少。
主体材料可包含取代或未取代的螯合喔星类物质。
有用的螯合的喔星类(oxinoid)化合物的实例如下：
CO-1：三喔星铝[别名：三(8-喹啉酚根)合铝(III)]
CO-2：二喔星镁[别名：二(8-喹啉酚根)合镁(II)]
CO-3：二[苯并{f}-8-喹啉酚根]合锌(II)
CO-4：二(2-甲基-8-喹啉酚根)合铝(III)-μ-氧桥-二(2-甲基-8-喹啉酚根)合铝(III)
CO-5：三喔星铟[别名：三(8-喹啉酚根)合铟]
CO-6：三(5-甲基-8-喔星)铝[别名：三(5-甲基-8-喹啉酚根)合铝(III)]
CO-7：喔星锂[别名：(8-喹啉酚根)合锂(I)]
CO-8：喔星镓[别名，三(8-喹啉酚根)镓(III)]
CO-9：喔星锆[别名，四(8-喹啉酚根)锆(IV)]
主体材料可包括取代或未取代的蒽类化合物。
9，10-二-(2-萘基)蒽(式F)的衍生物为另一种能支持电致发光的基质，并且特别适用于波长大于400nm的发光，例如蓝色、绿色、黄色、橙色或红色。
Figure C20048002052600191
其中：R1、R2、R3、R4、R5和R6代表各环上的一个或多个取代基，各个取代基独立选自以下各组的基团：
1组：氢或1-24个碳原子的烷基；
2组：5-20个碳原子的芳基或取代的芳基；
3组：形成蒽基、芘基或苝基的稠合芳环所需要的4-24个碳原子；
4组：形成呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基或其他杂环体系的稠合杂芳环所需要的5-24个碳原子的杂芳基或取代的杂芳基；
5组：1-24个碳原子的烷氧基氨基、烷基氨基或芳基氨基；以及
6组：氟、氯、溴或氰基。
示例性实例包括9，10-二-(2-萘基)蒽(F1)和2-叔丁基-9，10-二-(2-萘基)蒽(F2)。其它蒽衍生物包括9，10-双-(4-(2，2’-二苯基乙烯基)苯基)蒽的衍生物也可用作基质。
吲哚衍生物(式G)为另一类能支持电致发光的基质，并且特别适用于波长大于400nm的发光，例如蓝色、绿色、黄色、橙色或红色。
其中：
n为3-8的整数；
Z为O、NR或S；并且
R和R′各自为氢；1-24个碳原子的烷基，例如丙基、叔丁基、庚基等；5-20个碳原子的芳基或杂原子取代的芳基，例如苯基、萘基、呋喃基、噻吩基、吡啶基、喹啉基和其他杂环体系；或卤素，例如氯、氟；或构成稠合芳环需要的原子；
L为由烷基、芳基、取代的烷基或取代的芳基组成的连接单元，其与多个吲哚类化合物共轭或非共轭地连接在一起。有用的吲哚实例为2，2’，2”-(1，3，5-亚苯基)三[1-苯基-1H-苯并咪唑]。
主体材料可包括取代或者未取代的苯并噁唑化合物，取代或者未取代的苯并噻唑化合物或者取代或者未取代的苯并咪唑化合物。主体材料可包括取代或者未取代的噁唑化合物，取代或者未取代的三唑化合物或者取代或者未取代的噁二唑化合物。有用的噁唑化合物的实例包括1，4-双(5-苯基噁唑-2-基)苯，1，4-双(4-甲基-5-苯基噁唑-2-基)苯以及1，4-双(5-(对联苯基)噁唑-2-基)苯。有用的噁二唑化合物的实例包括2-(4-联苯基)-5-苯基-1，3，4-噁二唑以及2-(4-联苯基)-5-(4-叔-丁基苯基)-1，3，4-噁二唑。有用的三唑化合物实例包括3-(4-联苯基)-4-苯基-5-叔丁基苯基-1，2，4-三唑。
联苯乙烯基亚芳基衍生物也可用作主体材料或者掺杂物材料，美国专利5,121,029中公开了许多实例。有用的发射材料(基质和掺杂物)可具有通式(H)或者(I)
X-CH＝CH-Y-CH＝CH-Z    (H)
X-(CH＝CH)n-Z          (I)
其中：
X和Z独立为取代或者未取代的芳族基团或者为具有一个氮原子的取代或者未取代的芳族络合环基团；
n等于1，2或3；以及
Y是二价芳族基团或者具有一个氮原子的二价的芳族络合环基团。有用的实例包括1，4-双(2-甲基苯乙烯基)-苯，4，4’-(9，10-蒽二基二-2，1-乙烯二基)双(N，N-双(4-甲基苯基)-苯胺，4，4’-(1，4-萘二基二-2，1-乙烯二基)双(N，N-双(4-甲基苯基)苯胺，以及4，4’-(1，4-亚苯基二-2，1-乙烯二基)双(N，N-(4-甲苯基)苯胺。
选择掺杂物以在300-1700nm之间发射光。掺杂物可选自荧光或者磷光染料。有用的荧光掺杂物包括如上述主体材料的材料。其它有用的荧光掺杂物包括但不限于取代或者未取代的蒽、并四苯、呫吨、苝、红荧烯、香豆素、若丹明、喹吖啶酮、二氰基亚甲基吡喃化合物、噻喃化合物、聚甲炔化合物、吡喃鎓和噻喃鎓化合物、芴衍生物，periflanthene衍生物，茚并二萘嵌苯衍生物，双(吖嗪基)胺硼化合物，双(吖嗪基)甲烷化合物，萘啶、荧蒽、呋喃、吲哚、噻吩，苯并呫吨，苝，靴二蒽，三联苯，四联苯，五联苯，六联苯，蒽嵌蒽，双蒽烯(bisanthrene)化合物，N，N，N’，N’-四取代联苯胺(benzidene)衍生物，N，N，N’，N’-四芳基联苯胺(tetrarylbenzidene)衍生物以及喹诺酮化合物或者它们的组合物。这些种类材料的衍生物也可用作有用的主体材料或者其组合物。主体材料通常为含有至少三个亚苯基部分的化合物。
有用的掺杂物的示例性实例包括但不局限为下述化合物：
Figure C20048002052600231
Figure C20048002052600241
Figure C20048002052600251
Figure C20048002052600261
其它发射材料包括各种如美国专利4,539,507中公开的杂环荧光增亮剂。
发射材料也可是聚合材料，两种或者多种聚合材料的共混物，或者掺杂聚合物或者聚合物共混物。发射材料也可以为多于一种的非聚合材料和具有或者不具有掺杂物的聚合材料的组合物。先前列出的典型掺杂物是非聚合分子。非聚合掺杂物可以分子形式分散进入聚合基质中，或者通过将次要成分共聚合到基质聚合物中来添加掺杂物。典型的聚合材料包括但不限于取代和未取代的聚(对亚苯基1，2-亚乙烯基)(PPV)衍生物，取代和未取代的聚(对亚苯基)(PPP)衍生物，取代和未取代的聚芴(PF)衍生物，取代和未取代的聚(对吡啶)，取代和未取代的聚(对吡啶(pyridal)-1，2-亚乙烯基)衍生物，以及取代和未取代的聚(对亚苯基)梯形和阶梯形聚合物以及它们的共聚物，见Diaz-Garcia等在美国专利5,881,083及其参考文献的教导。取代基包括但不局限于烷基、环烷基、链烯基、芳基、杂芳基、烷氧基、芳氧基、氨基、硝基、硫代基、卤基、羟基以及氰基。典型的聚合物为聚(对亚苯基1，2-亚乙烯基)、二烷基-，二芳基-，二氨基-或者二烷氧基-取代的PPV，单烷基-单烷氧基取代的PPV，单芳基取代的PPV，9，9’-二烷基或者二芳基取代的PF，9，9’-单烷基-单芳基取代的PF，9-单烷基或者芳基取代的PF，PPP，二烷基-，二氨基-，二芳基-或者二烷氧基取代的PPP，单烷基-，芳基-，烷氧基-或者氨基取代的PPP。此外，可使用聚合材料如聚(N-乙烯基咔唑)(PVK)，聚噻吩，聚吡咯，聚苯胺和共聚物如聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)/聚(4-苯乙烯磺酸盐)(也叫PEDOT/PSS)。
通过升华法将以上提及的有机材料进行适当的淀积，但是，也可以用具有可选粘合剂的溶剂进行淀积，以改善薄膜的形成。如果材料是聚合物，则通常优选使用溶剂淀积法。可以通过用如美国专利6,237,529中所述的包含钽材料的一种升华器“舟皿”蒸发所述材料来对其进行淀积或首先将其涂抹到一块供体板上，然后在更接近衬底的位置将其升华。具有混合材料的各层能利用独立的升华器舟皿，或者，可以用单一舟皿或供体板来预混合和涂覆这些材料。可以使用掩模、整体掩模(美国专利5,294,870)、来自供体板的空间上确定的热染料转移(美国专利5,688,551，5,851,709，6,066,357)和喷墨方法(美国专利6,066,357)，形成被图案化的淀积层。
绝大多数有机激光器装置对潮湿或氧气敏感或对两者均敏感，因此通常将它们密封在如氮气或氩气的气氛中。脱水剂如氧化铝、矾土、硫酸钙、粘土、硅胶、沸石、碱性金属氧化物、碱土金属氧化物、硫酸盐或金属卤化物和高氯酸盐可被掺合到该密封装置中。密封和脱水的方法包括(但不限于)那些在美国专利6,226,809中所述的方法。此外，业内已知的用于密封的材料还包括由SiOX、聚四氟乙烯和无机物/聚合物交替层构成的阻挡层。
至于间隔层170，优选使用一种同时对激光辐射190和泵浦射束180高度透明的材料。在本实施例中，1，1-双(4-双(甲基苯基)-氨基苯基)-环己烷(TAPC)被选作隔离材料，因为它在整个可见光范围和近UV光谱具有非常低的吸收率，且其折射率略低于绝大多数有机主体材料。这种折射率的差异是有用的，因为它有助于最大化驻波电场的波腹和周期增益区160之间的重合。除有机隔离材料之外，隔层170也可以由无机材料如SiO2组成，因为该材料具有非常低的吸收率，且其折射率小于有机主体材料的折射率。当使用基于无机材料的间隔层时，可以用热蒸法或在低的淀积温度(约为70℃)下用电子束法来淀积这些材料。
在激活区130之后淀积的是顶部介质叠层140。顶部介质叠层140与底部介质叠层120彼此分隔，且反射预定范围波长的激光。其成分类似于底部介质叠层120的成分。由于顶部介质叠层140淀积在激活区130上，而后者包含有机物质，因而应当将叠层的淀积温度保持得足够低，以免熔化有机物质。结果，顶部介质叠层140的典型淀积温度为70℃。为了获得良好的激光产生性能，顶部和底部介质叠层的峰值反射率最好超过99％，因为较小的数值导致较大的激光线度。
二维激光器阵列装置100通常由入射的泵浦射束源180驱动而发出激光辐射190。取决于有机激光腔的激光功率密度的阈值，所述泵浦射束可以是经过聚焦的激光，也可以是非相干的LED光。图1示出了通过衬底110的激光辐射190。此外，通过对介质叠层反射率特性的正确设计，利用经过顶部介质叠层140的激光辐射190，可以通过衬底110对激光器装置进行光泵浦。在衬底不透光的情况下(如硅)，通过顶部介质叠层140来进行光泵浦和激光辐射。通过以下手段来进行光泵浦有机激光器阵列装置的运行。泵浦射束180从顶部介质叠层140射入，被周期增益区160吸收，其中一部分泵浦射束能量被作为波长较长的激光的再发射。当泵浦射束180进入顶部介质叠层140为确保激光输出190主要通过衬底110离开，须将顶部介质叠层的峰值反射率选得大于底部介质叠层的峰值反射率。为提高装置的功率转换效率，通常地在两个介质叠层中加入额外的介质层，使得底部介质叠层120对于泵浦射束180是高度反射的，而顶部介质叠层140对于泵浦射束180是高度透射的。激光由激光器像素200发出。
在本发明的一个可选实施例中，通过淀积一层反射金属镜面来取代顶部介质叠层140。典型的金属是银或铝，它们的反射率超过90％。最好用真空热蒸法来淀积金属，以避免对下面的有机层造成损坏。在该可选实施例中，泵浦射束180和激光辐射190都会通过衬底110。除了此改变之外，激光器阵列装置的层结构和运行都跟两个镜面均由多层介质组成的情形相似。
图3示出了本发明的另一实施例，一个二维激光器阵列装置102。该装置是图1中示出的装置的变形。图1中，激活区130直接淀积在底部介质叠层120的蚀刻表面上；然而，这将导致激活区130和顶部介质叠层140淀积在非平面(有折皱的)的表面上。对于一些特定的多层叠层组合，如TiO2-SiO2，在折皱表面进行淀积将导致叠层的柱状生长。结果，增加了顶部介质叠层140，或者还有激活区130中的散射损失。为了解决这个问题，在淀积激活区130之前，用平面化层155对底部介质叠层120的蚀刻表面进行整平。平面化层155的一个实施例是用于Ta2O5-SiO2或TiO2-SiO2多层叠层系统的聚酰亚胺。在形成被被蚀刻区150后，通过自旋铸塑将2到3微米的聚酰亚胺淀积在底部介质叠层120的表面上，然后在180℃至250℃的温度上用烘烤的方法将其硬化。下一步，使用本领域公知的化学机械抛光(CMP)技术将聚酰亚胺抛光，直到它在激光器像素200的位置上与底部介质叠层120的上表面齐平(或在几十个纳米的范围内浮动)。由于在标准的CMP料浆中聚酰亚胺和氧化物的抛光速度大不相同，因此在刚开始抛光到激光器像素200位置的氧化物层时直截了当地停止抛光。平面化层155的第二实施例是用于Ta2O5-SiO2多层介质叠层系统的SiO2。在这种场合，底部介质叠层120的顶层是Si3N4薄层。可以通过化学气相淀积(CVD)法在300-400℃的温度范围内淀积10至200nm厚的氮化硅。在形成被被蚀刻区150被蚀刻区150(蚀刻穿过了氮化硅层和底部介质叠层120的1至2个周期)后，用CVD法或用热蒸法淀积0.75至2.0μm的由SiO2构成的平面化层155。至于使用聚酰亚胺的实施例，采用另一种常用料浆用CMP法来抛光SiO2，直到它与氮化硅层的顶部平齐(或在几十个纳米的范围内浮动)。作为抛光选择性超过3.5∶1的结果，在刚开始抛光氮化硅层的顶部时，直截了当地停止抛光。平面化层155的第三实施例是用于任何多层介质叠层系统的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。在这种场合用自旋铸塑的方法将0.5至3.0μm厚的PMMA淀积在底部介质叠层120的被蚀刻表面上，之后用150至220℃的温度进行烘烤。扫描电子显微镜(SEM)的图像表明，当PMMA厚度与蚀刻深度之比为3∶1或4∶1时，通常可形成PMMA表面的平面化。除了这三个用于平面化的实施例之外，也可采用其他本领域技术人员实施的方法。总之，在形成蚀刻表面150后和淀积激活区130前加入平面化层155，使得激活区130和顶部介质叠层140中的散射损失有所减少，从而导致了较高的功率转换效率。
图4示出了本发明的另一实施例，一种二维激光器阵列装置104，为了最小化散射损失并相应地提高功率转换效率，最好将底部介质叠层的被蚀刻表面从驻波电场强度最高的激活区130中移出。结果，底部介质叠层被淀积成两个部分，即底部介质叠层的第一部分122和底部介质叠层的第二部分124，而反射率调制是通过在底部介质叠层的第一部分122的表面上形成被蚀刻区150来实现的。为使被蚀刻区150远离激活区130，底部介质叠层的第一部分122最好至多包含3至5个反射激光的介质层。对于额外的介质层被加入到底部叠层中以将泵浦射束180反射回激活区130的情形，首先将这些层淀积在底部介质叠层的第一部分122上。在形成被蚀刻区150后，将底部介质叠层的第二部分124淀积在底部介质叠层的第一部分122之上。如图4所示，底部介质叠层的第二部分124将被蚀刻区150填充。底部介质叠层的第二部分124由高、低折射率的介质材料层交替构成，如由分别与此对应的TiO2和SiO2构成。至于第一部分，通常用240℃的电子束淀积第二部分。
图5示出了本发明的另一实施例，一种二维激光器阵列装置106。该装置是图4所示装置的变形。图4中，直接在被蚀刻区150上生长底部介质叠层的第二部分124。结果，该叠层被淀积在一个非平面的(折皱的)表面上。对于一些特定的多层叠层组合，如TiO2-SiO2，在折皱表面进行淀积将导致叠层的柱状生长。结果，增加了底部介质叠层的第二部分124中的散射损失。为了解决这个问题，在淀积底部介质叠层的第二部分124之前，用一个平面化层155对底部介质叠层的第一部分122的蚀刻表面进行整平。如与图3相关的讨论所述，至少有三个关于平面化层的实施例，即在氧化物表面上使用聚酰亚胺，在氮化硅层表面使用SiO2，在所有表面上使用PMMA。除了这三种用于平面化的实施例，由本领域技术人员实施的其他方法也是可行的。总之，在形成蚀刻表面150后并在淀积底部介质叠层的第二部分124前加入平面化层155，使得在底部介质叠层的第二部分124、激活区130和顶部介质叠层140中的散射损失有所减少，从而实现较高的功率转换效率。
下面的示例，是为了让读者进一步理解本发明，而不是用它来构成对本发明的限制。
示例1
为确定图1和图2中的二维激光器阵列的激光产生特性，在经过预先清洁处理的6英寸石英衬底上生长了一些激光结构。在衬底上通过传统的电子束淀积法淀积了底部介质叠层120，该叠层由高、低折射率的TiO2和SiO2材料形成的各层交替构成。该四分之一波长的TiO2和SiO2叠层设计成其发出的激光具有560nm的波长，使得在560nm处测得的峰值反射率约为99.4％。为了增加对泵浦射束180的吸收，在底部介质叠层120中加入了额外的TiO2和SiO2层，以将405nm处的反射率提高到90％。接下来，使用标准光刻法和蚀刻技术在底部介质叠层120上形成图案，形成一个由直径为3.5至5.5μm的圆柱构成的二维随机阵列，其最小边缘至边缘间距为0.6μm。至于在底部介质叠层120的上表面形成随机圆柱配置，则通过使用一种传统的随机装填算法形成由随机尺寸的和随机分布的圆圈组成的光刻掩模。使用一种传统的基于氟的干式蚀刻剂在像素间区域210中蚀刻了297nm的深度。在蚀刻之后，通过高真空热蒸法淀积激活区130，并在其中依次生长153nm的TAPC，25nm的Alq与0.5％的[10-(2-苯并噻唑基-2，3，6，7-四氢-1，1，7，7-四甲基-1H，5H，11H-[1]苯并吡喃[6，7，8-ij]喹嗪-11-酮](C545T)，140nm的TAPC，25nm的Alq与0.5％的C545T以及153nm的TAPC。最后，通过低温电子束淀积法淀积了顶部介质叠层140，这样，石英衬底的测得温度被保持在72℃以下。该叠层由TiO2和SiO2形成的高、低折射率层交替构成。这样得到的顶部介质叠层在560nm处测得的峰值反射率约为99.98％。
为测试装置的光谱和角度特性，使用由5mW的Nichia激光二极管输出的波长为405nm的激光对激光器阵列进行如图1所示的光泵浦(入射光垂直于顶部介质叠层140)。泵浦激光器产生重复频率为50KHz的50纳秒的激光脉冲。通过两个中性密度轮的组合来调节泵浦光束的强度，并使用焦距为1000mm的镜头将该光束聚焦到激光腔表面上。测得这样得到的泵浦光束在装置表面的光点尺寸为177×243μm。通过最靠近JY-Horiba型双单色仪(0.55m)的入口狭缝的、由焦距为35mm的光圈数为1.4的镜头和焦距为100mm的光圈数为4的镜头的组合将激光腔输出的激光190聚焦到所述狭缝上(得到对激光的近场图像的2.9倍放大)。所述单色仪的分辨率约为0.08nm，它的输出由被冷却的Hamamatsu光电倍增管检测。为得到激光输出190的角度相关性，将装置相对于由泵浦光束180定义的光轴进行0、4、15度的倾斜。
图6示出了由0.36数值孔径镜头收集的激光光谱的角度相关性，其中，调整两个中性密度轮以提供在装置表面的功率密度为0.042W/cm2的泵浦光束180。对于0°光谱，激光输出在558.7和558nm处具有两个主峰值，且这两个峰值对应于来自单一像素的激光辐射的一阶和二阶横模。在这两个主峰值之后，发出的激光强度快速减小，在543nm处它实际已处于噪声范围之中。对于4°光谱，两个主激光峰值的强度约为0°光谱的一半。最后，对于15°光谱，两个主激光峰值消失了，信号仅来自更高阶的阵列模式(激光辐射模式穿越了所述构造，并且反射了许多相邻的像素)。三种情况下(0、4、15度)的用标准化单位表示的综合激光辐射强度分别为1.0，0.45，0.14。从而，激光输出的角度半值宽度略小于4度。图6表明激光辐射的光谱宽度小于5nm。因而，以随机尺寸和随机分隔方式形成的激光器像素导致二维有机VCSEL激光器阵列装置能发出光谱宽度和角分布均变窄的激光。
部件清单
100  激光器阵列装置
102  激光器阵列装置
104  激光器阵列装置
106  激光器阵列装置
110  衬底
120  底部介质叠层
122  底部介质叠层的第一部分
124  底部介质叠层的第二部分
130  激活区
140  顶部介质叠层
150  被蚀刻区
155  平面化层
160  周期增益区
170  隔层
180  泵浦射束
190  激光辐射
200  激光器像素
210  像素间区域

Claims (8)

1. 一种用于产生多模激光输出的垂直腔激光器阵列装置，包括：
a)衬底；
b)在预定波长范围反射光的、设置在所述衬底上的底部介质叠层；
c)用于产生激光的有机激活区；
d)在预定波长范围反射光的、与所述底部介质叠层分隔的顶部介质叠层；
e)所述激活区包括一个周期增益区或多个周期增益区和配置在周期增益区两侧的隔层，并且配置成使得周期增益区与所述装置的驻波电磁场的波腹对准；
f)用以设置一个彼此间隔的激光器像素的阵列的部件，所述像素具有高于像素间区域的反射率，所述激光器像素的阵列是通过在底部介质叠层的靠近激活区的那个表面上形成被蚀刻区来确定的，或者在所述底部介质叠层具有第一部分和第二部分、所述底部介质叠层的第一部分靠近衬底一侧和所述底部介质叠层的第二部分靠近激活区一侧时，所述激光器像素的阵列是通过在底部介质叠层的第一部分的靠近激活区的那个表面上形成被蚀刻区来确定的；
g)所述彼此间隔的激光器像素具有不同的尺寸，且像素之间的间隔具有相同或不同的长度，以使所述垂直腔激光器阵列装置产生多模激光输出。
2. 权利要求1所述的垂直腔激光器阵列装置，其中：在底部介质叠层的被蚀刻表面和激活区之间形成一个平面化层。
3. 权利要求2所述的垂直腔激光器阵列装置，其中：所述平面化层包含聚酰亚胺或SiO2，该层经一种化学机械抛光系统加工而变薄。
4. 权利要求2所述的垂直腔激光器阵列装置，其中：所述平面化层包括聚甲基丙烯酸甲酯。
5. 权利要求1所述的垂直腔激光器阵列装置，其中：在底部介质叠层的第一部分的被蚀刻表面和底部介质叠层的第二部分之间形成一个平面化层。
6. 权利要求5所述的垂直腔激光器阵列装置，其中：所述平面化层包含聚酰亚胺或SiO2，该层经一种化学机械抛光系统加工而变薄。
7. 权利要求5所述的垂直腔激光器阵列装置，其中：所述平面化层包括聚甲基丙烯酸甲酯。
8. 权利要求1所述的垂直腔激光器阵列装置，其中：通过所述介质叠层中的至少一个将泵浦射束光传输并导入激活区中。
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