CN108390247B - Led泵浦的钙钛矿量子点连续激光器 - Google Patents

Led泵浦的钙钛矿量子点连续激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器。一种LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器包括泵浦源、增益介质和谐振腔，其中，所述泵浦源用于激发所述增益介质，所述增益介质为钙钛矿量子点材料与聚合物构成的复合发光薄膜，用于接收所述泵浦源的辐射而激发光子，所述谐振腔用于放大由所述增益介质激发的光子以输出连续激光，其中，所述泵浦源为发光二极管LED。

Description

LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器。
背景技术
半导体连续激光器具有体积小，重量轻等优点，在激光显示、激光照明、通信等领域具有重要的应用价值。然而，目前商用半导体连续激光器制备时要求高真空和高温，制作成本高，加工工艺复杂，发光波长也无法连续可调。可溶液法制备的连续激光器，制备工艺简单、价格低廉，该类激光器可以通过旋涂、喷墨打印等方法制备，可以制备在柔性基底上形成柔性器件，具有巨大的实际应用价值。胶体量子点材料具有可溶液法制备、发光效率高、颜色可调等特性，是一种重要的激光增益材料。
现有的胶体量子点激光器需要使用飞秒、纳秒激光器或连续激光器作为泵浦源，泵浦源体积大、价格昂贵，这大大限制了胶体量子点激光的实际应用。获得电泵浦或小型LED泵浦的胶体量子点连续激光具有巨大的困难，发展可使用电泵浦或LED泵浦的胶体量子点连续激光是当前量子点材料激光应用领域的最前沿。
然而，到目前为止，电泵浦或LED泵浦的胶体量子点连续激光器还没有实现。
发明内容
钙钛矿量子点是一种优异的发光材料，钙钛矿量子点制备工艺简单、成本低廉、发光效率高、半峰宽窄、发光波长在400nm-800nm范围内连续可调。钙钛矿量子点光学膜可以原位制备。通过控制钙钛矿材料和聚合物的结晶过程，可以获得高荧光效率的量子点/聚合物复合光学膜。与传统的量子点/聚合物复合光学膜相比，钙钛矿量子点光学膜具有原位制备、工艺简单、易于批量制备和集成应用等优点。
有鉴于此，本发明提供了一种LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器，其创新地使用发光二极管LED作为泵浦源，来激发由钙钛矿量子点材料与聚合物构成的复合发光薄膜，并经谐振腔放大后输出连续激光。由于LED具有易于获得、结构简单、价格低廉等优点，因此本发明的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器制备工艺简单，价格低廉，且可制备成柔性，容易实现高度集成化，并且输出激光的发射波长连续可调。由于LED可以直接接电来工作，因此，本发明也间接实现了电泵浦的连续激光器。
根据本发明的一个方面，提供了一种LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器，包括泵浦源、增益介质和谐振腔，其中，所述泵浦源用于激发所述增益介质，所述增益介质为钙钛矿量子点材料与聚合物构成的复合发光薄膜，用于接收所述泵浦源的辐射而激发光子，所述谐振腔用于放大由所述增益介质激发的光子以输出连续激光，其中，所述泵浦源为发光二极管LED。
优选地，所述LED是从包括以下项的组中选择的任一项：半导体发光二极管；有机发光二极管OLED；量子点发光二极管QLED；微发光二极管Micro-LED，所述Micro-LED为芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列；以及钙钛矿发光二极管，其发光材料为有机/无机混合钙钛矿或无机钙钛矿材料。
优选地，所述OLED包括小分子有机电致发光器件和高分子有机电致发光器件。
优选地，所述量子点材料包括Ⅱ-Ⅵ族量子点、Ⅲ-Ⅴ族量子点、Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点和钙钛矿量子点。
优选地，所述复合发光薄膜是通过原位方法制备的，所述原位方法包括：通过旋涂、喷涂、浇铸或静电纺丝，将钙钛矿量子点前驱体与聚合物的溶液转移到基底或所述谐振腔的相应表面上；以及通过干燥，蒸发出溶剂，以在所述基底或所述谐振腔的相应表面上形成所述复合发光薄膜，
其中，所述基底为硬性基底或柔性基底，所述硬性基底选自包括玻璃和硅片的组，所述柔性基底选自包括塑料、金属箔片、超薄玻璃、纸质衬底和生物复合薄膜衬底的组。
优选地，所述复合发光薄膜与所述基底是可分离的。
优选地，所述谐振腔包括分布式布拉格反射镜和分布式反馈结构，其中：在所述谐振腔为分布式布拉格反射镜时，所述增益介质形成在两个具有不同反射率的反射镜之间；在所述谐振腔为分布式反馈结构时，所述增益介质形成在所述分布式反馈结构的受光面上。
优选地，在所述谐振腔为分布式反馈结构时，所述谐振腔是在所述复合发光薄膜上通过以下方式形成的：通过纳米压印或刻蚀，在所述复合发光薄膜上形成光子晶体结构或光栅结构，从而形成分布式反馈结构。
优选地，具有光子晶体结构或光栅结构的所述复合发光薄膜贴合在所述LED的出光面上，以形成集成器件。
优选地，所述谐振腔由柔性材料制备，从而所述钙钛矿量子点连续激光器为柔性器件。
优选地，所述连续激光器的发射波长在400nm-800nm范围内连续可调。
优选地，所述钙钛矿量子点材料为钙钛矿量子点的有机盐和/或无机盐，其结构通式为ABX3和/或A2BX6和/或AB2X5和/或A4BX6和/或A3B2X9，其中，A为金属阳离子或带正电荷的有机胺离子，B为金属阳离子，X为卤素离子；所述聚合物为能够溶解于极性有机溶剂的透明聚合物。
优选地，A为Rb+、Cs+、Na+、K+、Li+、NH＝C(NH2)2H+、NH＝CRNH3 +或RNH3 +，其中R为链碳原子数为1-8的饱和直链或支链烷基基团、不饱和直链或支链烷基基团或芳香基团，B为Pb2 +、Sn2+、Mn2+、Ge2+、In3+、Sb3+、Bi3+或Cu2+，X为F-、Cl-、Br-、I-、CN-和SCN-中的至少一个；所述聚合物选自聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、氰基纤维素、聚丙烯腈、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚氨酯橡胶、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、三醋酸纤维素、聚丙烯酸甲酯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜和聚氯乙烯中的至少一种。
优选地，所述钙钛矿量子点连续激光器还包括：透镜，其设置于所述泵浦源与所述谐振腔之间，用于会聚所述泵浦源发射的光。
优选地，所述透镜贴附在所述泵浦源的出光面上。
优选地，所述泵浦源发射的光波长小于所述连续激光器输出的连续激光的发射波长。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：使用发光二极管LED作为泵浦源，来激发由钙钛矿量子点材料与聚合物构成的复合发光薄膜，并经谐振腔放大后输出连续激光。本发明的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器具有制备工艺简单，价格低廉，且可制备成柔性，容易实现高度集成化，并且输出激光的发射波长连续可调等诸多优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，并且附图并未按照实际的比例绘制。
图1为根据本发明第一实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。
图2为根据本发明第二实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。
图3为根据本发明第三实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。
图4为根据本发明第四实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。
图5示例性示出在施加350mA输入电流时图1所示的激光器输出的多模连续激光的光谱图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。
图1为根据本发明第一实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。如图1所示，在本实施例中，钙钛矿量子点连续激光器包括：
泵浦源101，用于激发增益介质，使增益介质激发出光子；
增益介质102，用于接收泵浦源101的辐射而激发光子；
谐振腔103，用于放大由增益介质激发的光子以输出连续激光。
在一实施例中，泵浦源101为发光二极管(LED)，其被通以电流I以发光。LED可以为：半导体发光二极管，其发光中心由镓、砷、磷、氮、铟、铝等的化合物构成；使用有机聚合材料作为发光中心的有机发光二极管(OLED)；使用量子点材料作为发光中心的量子点发光二极管(QLED)；微发光二极管(Micro-LED)，所述Micro-LED为芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列；以及钙钛矿发光二极管(Perovskite LED,PeLED)，其发光材料为有机/无机混合钙钛矿或无机钙钛矿材料；等等。
所述OLED包括小分子有机电致发光器件和高分子有机电致发光器件等。
所述量子点材料包括Ⅱ-Ⅵ族量子点、Ⅲ-Ⅴ族量子点、Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点和钙钛矿量子点等。
在一实施例中，增益介质102为由钙钛矿量子点材料与聚合物构成的复合发光薄膜。
在一实施例中，所述复合发光薄膜例如是通过原位方法制备的。
在一实施例中，所述原位方法包括：通过旋涂、喷涂、浇铸或静电纺丝，将钙钛矿量子点前驱体与聚合物的溶液转移到基底或谐振腔的相应表面上；以及通过干燥，蒸发出溶剂，以在基底或谐振腔的相应表面上形成所述复合发光薄膜。
在一实施例中，所述基底为硬性基底或柔性基底。所述硬性基底包括玻璃和硅片等，所述柔性基底包括塑料、金属箔片、超薄玻璃、纸质衬底和生物复合薄膜衬底等。
在一实施例中，所述复合发光薄膜与所述基底是可分离的。
在一实施例中，如图1所示，谐振腔103为分布式布拉格反射镜(DBR)。增益介质102形成在两个具有不同反射率的反射镜之间。谐振腔103可由硬性材料制备，也可由柔性材料制备。
在一实施例中，谐振腔103由柔性材料制备，从而钙钛矿量子点连续激光器为柔性器件。该柔性材料可以为塑料、金属箔片、超薄玻璃、纸质衬底和生物复合薄膜衬底等。
在一实施例中，谐振腔103的作用波长和增益介质102的发光波长相匹配。
在一实施例中，通过改变钙钛矿量子点材料的组分或者尺寸，所述连续激光器输出的连续激光的发射波长在400nm-800范围内连续可调。
在一实施例中，泵浦源101发射的光波长小于连续激光器输出的连续激光的发射波长。
在一实施例中，所述钙钛矿量子点材料为钙钛矿量子点的有机盐和/或无机盐，其结构通式为ABX3和/或A2BX6和/或AB2X5和/或A4BX6和/或A3B2X9，其中，A为金属阳离子或带正电荷的有机胺离子，B为金属阳离子，X为卤素离子。
优选地，A为Rb+、Cs+、Na+、K+、Li+、NH＝C(NH2)2H+、NH＝CRNH3 +或RNH3 +，其中R为链碳原子数为1-8的饱和直链或支链烷基基团、不饱和直链或支链烷基基团或芳香基团，B为Pb2 +、Sn2+、Mn2+、Ge2+、In3+、Sb3+、Bi3+或Cu2+，X为F-、Cl-、Br-、I-、CN-和SCN-中的至少一个。
在一实施例中，所述聚合物为能够溶解于极性有机溶剂的透明聚合物。
优选地，所述聚合物选自聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、氰基纤维素、聚丙烯腈、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚氨酯橡胶、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、三醋酸纤维素、聚丙烯酸甲酯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜和聚氯乙烯中的至少一种。
更优选地，所述聚合物选自聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、氰基纤维素、聚丙烯腈、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物和三醋酸纤维素中的至少一种。
图2为根据本发明第二实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。如图2所示，在本实施例中，钙钛矿量子点连续激光器包括：
泵浦源201，用于激发增益介质，使增益介质激发出光子；
增益介质202，用于接收泵浦源201的辐射而激发光子；
谐振腔203，用于放大由增益介质202激发的光子以输出连续激光。
与第一实施例不同的是，第二实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器还包括透镜204，其设置于泵浦源201与谐振腔203之间，用于会聚泵浦源201发射的光。
在一实施例中，透镜204可以为光学透镜，也可以为微透镜或微透镜阵列。在一实施例中，透镜204可贴附在泵浦源201的出光面上。
第二实施例的其他方面可以与第一实施例相同，在此不进行赘述。
图3为根据本发明第三实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。如图3所示，在本实施例中，钙钛矿量子点连续激光器包括：
泵浦源301，用于激发增益介质，使增益介质激发出光子；
增益介质302，用于接收泵浦源301的辐射而激发光子；
谐振腔303，用于放大由增益介质302激发的光子以输出连续激光。
与第一实施例不同的是，第三实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器中，谐振腔303为分布式反馈(DFB)结构。
在谐振腔303为分布式反馈结构时，增益介质302通过原位制备方法形成在分布式反馈结构的受光面上。
在谐振腔303为分布式反馈结构时，谐振腔303还可以在作为增益介质的复合发光薄膜302上通过以下方式直接形成：通过纳米压印或刻蚀，在复合发光薄膜上形成光子晶体结构或光栅结构，从而形成分布式反馈结构。
谐振腔303可由硬性材料制备，也可由柔性材料制备。当谐振腔303由柔性材料制备时，谐振腔303可贴附在泵浦源301的出光面上，以形成集成器件。
第三实施例的其他方面可以与第一实施例相同，在此不进行赘述。
图4为根据本发明第四实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器的示意图。如图4所示，在本实施例中，钙钛矿量子点连续激光器包括：
泵浦源401，用于激发增益介质，使增益介质激发出光子；
增益介质402，用于接收泵浦源401的辐射而激发光子；
谐振腔403，用于放大由增益介质402激发的光子以输出连续激光。
与第三实施例不同的是，第四实施例的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器还包括透镜404，其设置于泵浦源401与谐振腔403之间，用于会聚泵浦源401发射的光。
在一实施例中，透镜404可以为光学透镜，也可以为微透镜或微透镜阵列。在一实施例中，透镜404可贴附在泵浦源401的出光面上。
第四实施例的其他方面可以与第三实施例相同，在此不进行赘述。
图5示例性示出在施加350mA输入电流时图1所示的激光器输出的多模连续激光的光谱图。如图5所示，在该示例中，泵浦源为商用铟氮化镓紫光LED芯片，该LED的中心波长为405nm，额定功率为1W，额定电流为350mA，LED的发光表面尺寸为45mil*45mil(即1.143mm*1.143mm)。增益介质为原位方法制备的钙钛矿量子点/聚合物复合发光薄膜。制备方法为量子点前驱体/聚合物溶液通过旋涂方法与DBR结合，通过干燥后在DBR表面形成复合发光薄膜作为增益介质。在铟氮化镓紫光LED泵浦下，DBR结构的激光器输出波长为480-565nm的多模连续激光。通过减小DBR的腔长，可以减小激光模式数。通过改变量子点材料的组分或者尺寸，可得到不同波长的连续激光。
综上所述，本发明提供了一种LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器，其创新地使用发光二极管LED作为泵浦源，来激发由钙钛矿量子点材料与聚合物构成的复合发光薄膜，并经谐振腔放大后输出连续激光。由于LED具有易于获得、结构简单、价格低廉等优点，因此本发明的LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器制备工艺简单，价格低廉，且可制备成柔性，容易实现高度集成化，并且输出激光的发射波长连续可调。由于LED可以直接接电来工作，因此，本发明也间接实现了电泵浦的连续激光器。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“实施例”并不一定均指同一个实施例。
此外，所描述的特征或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在上面的描述中，提供一些具体的细节，例如厚度、数量等，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其它方法、组件、材料等实现。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种LED泵浦的钙钛矿量子点连续激光器，包括泵浦源、增益介质和谐振腔，其中，
所述泵浦源用于激发所述增益介质，
所述增益介质为由钙钛矿量子点材料与聚合物构成的复合发光薄膜，用于接收所述泵浦源的辐射而激发光子，
所述谐振腔用于放大由所述增益介质激发的光子以输出连续激光，
其中，所述泵浦源为发光二极管LED，
其中，所述谐振腔为分布式反馈结构，所述谐振腔是在所述复合发光薄膜上通过以下方式形成的：通过纳米压印或刻蚀，在所述复合发光薄膜上形成光子晶体结构或光栅结构，从而形成分布式反馈结构，
其中，具有光子晶体结构或光栅结构的所述复合发光薄膜贴合在所述LED的出光面上，以形成集成器件。
2.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述LED是半导体发光二极管。
3.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述LED是从包括以下项的组中选择的任一项：
有机发光二极管OLED；
量子点发光二极管QLED；
微发光二极管Micro-LED，所述Micro-LED为芯片上集成的高密度微小尺寸的LED阵列；以及
钙钛矿发光二极管，其发光材料为有机/无机混合钙钛矿或无机钙钛矿材料。
4.根据权利要求3所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述OLED包括小分子有机电致发光器件和高分子有机电致发光器件。
5.根据权利要求3所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述QLED的量子点材料包括Ⅱ-Ⅵ族量子点、Ⅲ-Ⅴ族量子点、Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ族量子点和钙钛矿量子点。
6.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述复合发光薄膜是通过原位方法制备的，所述原位方法包括：
通过旋涂、喷涂、浇铸或静电纺丝，将钙钛矿量子点前驱体与聚合物的溶液转移到基底或所述谐振腔的相应表面上；以及
通过干燥，蒸发出溶剂，以在所述基底或所述谐振腔的相应表面上形成所述复合发光薄膜，
其中，所述基底为硬性基底或柔性基底，所述硬性基底选自包括玻璃和硅片的组，所述柔性基底选自包括塑料、金属箔片、超薄玻璃、纸质衬底和生物复合薄膜衬底的组。
7.根据权利要求6所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述复合发光薄膜与所述基底是可分离的。
8.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述谐振腔由柔性材料制备，从而所述钙钛矿量子点连续激光器为柔性器件。
9.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述连续激光器的发射波长在400nm-800nm范围内连续可调。
10.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，
所述钙钛矿量子点材料为钙钛矿量子点的有机盐和/或无机盐，其结构通式为ABX3和/或A2BX6和/或AB2X5和/或A4BX6和/或A3B2X9，其中，A为金属阳离子或带正电荷的有机胺离子，B为金属阳离子，X为卤素离子；
所述聚合物为能够溶解于极性有机溶剂的透明聚合物。
11.根据权利要求10所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，
A为Rb+、Cs+、Na+、K+、Li+、NH＝C(NH2)2H+、NH＝CRNH3 +或RNH3 +，其中R为链碳原子数为1-8的饱和直链或支链烷基基团、不饱和直链或支链烷基基团或芳香基团，B为Pb2+、Sn2+、Mn2+、Ge2+、In3+、Sb3+、Bi3+或Cu2+，X为F-、Cl-、Br-、I-、CN-和SCN-中的至少一个；
所述聚合物选自聚偏氟乙烯、醋酸纤维素、氰基纤维素、聚丙烯腈、偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物、聚氨酯橡胶、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、三醋酸纤维素、聚丙烯酸甲酯、苯乙烯-丙烯腈共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚醚砜和聚氯乙烯中的至少一种。
12.根据权利要求1所述的钙钛矿量子点连续激光器，还包括：透镜，其设置于所述泵浦源与所述谐振腔之间，用于会聚所述泵浦源发射的光。
13.根据权利要求12所述的钙钛矿量子点连续激光器，其中，所述透镜贴附在所述泵浦源的出光面上。
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