CN108832473A - 一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器及制备方法 - Google Patents

一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器及制备方法，所述激光器包括上基板及其下表面的布拉格反射镜、热封膜和封口、下基板及其上表面的布拉格反射镜、量子点增益材料和激光泵浦源；所述热封膜将具有布拉格反射镜的上、下基板紧密的热封在一起，形成微腔用于容置量子点增益材料，热封膜两端封口处用紫外固化胶密封；所述量子点增益材料采用浓度为50‑120 mg/ml的高浓度量子点溶液。本发明的量子点激光器件波长可随着量子点尺寸变化进行调制，制备工艺简单，重复性和稳定性较高。激光器在短波激光泵浦下有很好的光增益，且相干性很好，出光波长可随量子点发光峰位置在全可见光谱范围调节，制备成本低并易于实现大规模产业化生产。

Description

一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器及制备方法
技术领域
本发明涉及一种微腔量子点纳米激光器技术，特别是一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器及制备方法，属于量子点激光器技术领域。
背景技术
随着科学技术的发展，人类社会正在进入“光子时代”、“光信息时代”和“光制造时代”，激光科学技术在当今的国家安全、国民经济发展中发挥着不可替代作用。自1970年美国IBM公司的Esaki等提出超晶格概念后，引发了人们对二维(2D)量子阱材料以及量子阱激光器的研究热潮，对其开展了大量的理论与实验研究工作。随着材料生长和器件制备技术的不断改进，量子阱激光器件的性能得到了很大的提高，多种量子阱激光器件都实现了商业化。与量子阱材料相比较，具有更低维度的量子线、量子点等纳米材料，由于其特殊的结构，表现出更优越的光电性能，成为最近研究的热点。
量子点材料与宏观材料在结构体系上有很大的差异。如果宏观材料的三个维度的尺寸都缩到小于一个波长，即电子在材料中的运动受到了三维限制，也就是说电子的能量在三个维度上都是量子化的，称这种材料为量子点。因而，量子点的材料增益很大，是实现激光的最佳增益介质材料。量子点光/电泵浦激光器件是将量子点作为增益介质，量子点有源区域在高压脉冲电源产生强电场作用下产生高亮度、较窄半峰宽、高饱和度光源，进而在量子点器件构成的法布里-珀罗(F-P)微腔内发生光振荡耦合，形成粒子数反转，最终产生光学增益，产生激光输出。
相对于其他量子点制备方法，胶体溶液法具有成本低、方法简单和容易操控等优点，已成功用于制备II-V族量子点材料。与半导体Si和Ge不同，II-V族量子点材料都是直接带隙半导体材料，具有以下独特优点：1)量子点的发射光谱半峰宽狭窄，一般为20-30nm；量子点激光器的发光波长与量子点材料体系和尺寸有关，有源区材料禁带宽度越小和量子点尺寸越大，激光器发射的波长越长，光谱覆盖范围从350nm-2μm。2)量子点具有高吸收截面，高量子产率以及光学稳定性，并采用核-壳量子点应用于量子点激光器时可以降低自放大辐射阈值。
虽然利用胶体溶液法很容易制备准零维量子点材料，但是在激光器方面，由于存在大量的非辐射俄歇复合等问题，利用该方法制备的激光器性能还很差，因此如何降低量子点的非辐射俄歇复合以及设计激光器结构和器件制备流程，提高胶体法制备的准零维量子点激光器的性能，仍然是目前的一个挑战。因而，关于胶体法制备的量子点作为激光增益介质的研究一直是激光器性能的研究热点和关键课题。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种量子点微腔激光器及其制备方法，基于量子点受激后可产生多激子的特性，利用毛细管力驱动，制备微腔量子点激光器件，在脉冲光/电泵浦作用下发出高品质因子的激光，最终实现波长可调制的量子点微腔激光器。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，包括上基板及其下表面的布拉格反射镜、热封膜和封口、下基板及其上表面的布拉格反射镜、量子点增益材料和激光泵浦源；所述热封膜将具有布拉格反射镜的上、下基板紧密的热封在一起，形成微腔用于容置量子点增益材料，热封膜两端封口处用紫外固化胶密封；所述量子点增益材料采用浓度为50-120mg/ml的高浓度量子点溶液。
作为优选，所述微腔长度为热封膜的厚度，满足公式mλ/2＝nL，其中λ为发射激光的波长，L为微腔长度，n为量子点折射率，m为整数倍数。
作为优选，所述量子点增益材料(5)采用具有连续能带分布的多壳层量子点。
作为优选，所述布拉格反射镜采用四分之一波长的电介质材料。
作为优选，所述激光器为法布里-珀罗类型，反射的激光角度满足公式： 其中θ为激光器探测角度，λ为发射激光的波长，L为微腔长度，n为量子点折射率，m为整数倍数。
作为优选，所述激光器采用光泵浦激光激发或电泵浦激光激发。
一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器的制备方法，包括如下步骤：
(1)将上、下基板清洗后镀布拉格反射镜面材料；
(2)用热封胶膜垫在上、下基板之间，留有封口，加热后将两基板牢固封住，得到封盒；
(3)将封盒放入真空室中抽真空后拿出，用高浓度量子点溶液在滴在封口处，利用毛细管力驱动液体布满微腔；
(4)用紫外固化胶密封微腔封口处，器件制备完成待测试。
作为优选，高浓度量子点溶液的制备方法为：采用高温分步合成方法，制备波长范围为470-650nm的多壳层量子点材料；将合成好的量子点进行提纯、清洗后，配制成浓度为50-120mg/ml溶解于非极性溶剂中得到高浓度量子点溶液。
有益效果：本发明将合成的胶体量子点配制成高浓度液体，将两片具有布拉格反射镜的基板中间垫有一定厚度的热封胶，紧密的热封在一起，形成微空腔；抽一定时间的真空后，将一定量的高浓度量子点胶体溶液滴加至封口边缘，在毛细管力的作用下，量子点快速布满腔体内部，与上下镜面紧密的贴合在一起，形成微腔激光器结构，在脉冲光/电泵浦作用下发出高品质因子的激光，最终实现波长可调制的量子点微腔激光器。与现有技术相比，具有如下优点：1、本发明的激光器增益介质膜厚可调，薄膜表面量子点密度可调，量子点激光器件波长可随着量子点尺寸变化进行调制，制备工艺简单，重复性和稳定性较高。2、采用具有连续能带分布的多壳层量子点，有效抑制非辐射俄歇复合，提高粒子反转数量，从而产生光学增益，降低量子点的光学增益阈值电流密度。3、微腔量子点激光器的波长范围470-650nm，阈值为10uJ/cm2，激光发射峰半峰宽小于10nm。4、发光性质在短波激光泵浦下有很好的光增益，且相干性很好，出光波长可随量子点发光峰位置在全可见光谱范围调节，激光器的出光功率可达毫瓦级。5、制备成本低并易于实现大规模产业化生产。
附图说明
图1是微腔量子点激光器件结构示意图，其中：1-上基板，2-布拉格反射镜，3-热封膜，4-封口处，5-量子点增益材料，6-布拉格反射镜，7-下基板。
图2是微腔量子点激光器在不同光源能量激发下的PL光谱图，其中a.普通355nm紫外灯；b.355nm低能量激光灯；c.355nm高能量激光灯。
图3是不同浓度量子点制备的微腔量子点激光器在激光激发下的PL光谱图，其中a.50mg/mL；b.100mg/mL；c.120mg/mL。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明实施例公开的一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，包括上基板1、上基板上的布拉格反射镜2、热封膜3、下基板7、下基板上的布拉格反射镜6、量子点增益材料5和激光泵浦源。热封膜3将具有布拉格反射镜的上、下基板紧密的热封在一起，热封膜3中间形成的微空腔用于容置量子点增益材料，热封膜3两端封口4处用紫外固化胶密封。其中的增益材料采用浓度为50-120mg/ml的高浓度量子点溶液，增益材料为具有连续能带分布的多壳层量子点，形成类似量子阱的势垒结构，有利于将电子空穴对限制于势垒中，增加电子空穴对的复合速率。微腔长度即热封膜的厚度满足公式mλ/2＝nL,λ为发射激光的波长，L为微腔长度，n为量子点折射率，m为整数倍数。薄膜厚度越厚，器件的工作电压越高，m可根据器件性能和实际工艺水平选定。布拉格反射镜为四分之一波长的电介质材料，如SiO2/TiO2的高反射镜面材料。
本发明实施例的微腔量子点激光器的制备过程如下：
(1)增益材料采用高浓度胶体量子点的制备：采用高温分步合成方法，制备多壳层量子点材料，如CdSe/CdS/ZnS量子点，通过改变包壳时间，控制外延生长壳层厚度，进一步控制波长分布位置，波长范围从470-650nm。合成好的量子点进行提纯，分别用酒精、丙酮清洗2-3次后，配制成高浓度(50-120mg/ml)溶解于非极性溶剂中，如甲苯、氯仿、己烷等。
(2)上下玻璃基板1和7清洗后采用溅射法或蒸镀法或等离子热蒸发法镀上布拉格反射镜面材料，如SiO2/TiO2；
(3)用一定厚度的热封膜3垫在基板1和7之间，两端留有封口4，具体厚度根据发光波长确定，采用80～150度加热后，将两基板牢固封住；
(4)放入真空室中抽真空10分钟拿出封盒，用一定量(如10～100uL)的高浓度量子点溶液在滴在封口处，由于微腔内压力低于外界大气压，利用毛细管力驱动液体布满微腔；
(5)用紫外固化胶密封微腔封口处，器件制备完成待测试。
所制备的微腔量子点激光器可采用电泵浦或光泵浦激光激发：采用电泵浦激光激发，采用的电压为0～500V，脉冲频率为0～50Hz，脉宽0～20ns。采用光泵浦激光激发，泵浦激光波长为355nm,545nm，脉冲频率为0～50Hz，脉宽0～20ns。
此激光器为法布里-珀罗(F-P)类型，反射的激光角度满足公式：其中θ为激光器探测角度。
下面结合具体优选示例说明本发明实施例的微腔量子点激光器的制备过程及所制备的激光器的性能。下面的示例中以高温分步合成方法制备得到的波长位置622nm的ZnS多壳层量子点材料为例进行说明，需要说明的是本发明方案不局限于该具体的材料及具体位置点，也适用于其他具有连续能带分布的多壳层量子点材料。
实验例1：
1)采用高温分步合成方法，制备得到波长位置622nm的ZnS多壳层量子点材料，提纯清洗后溶解在甲苯中配置成浓度为120mg/ml量子点溶液。
2)上下玻璃基板清洗后采用溅射法镀上25个阵列的布拉格反射镜面材料SiO2；
3)用厚度为5μm的热封胶膜垫在上下基板之间，留有封口，采用130度加热后，将两基板牢固封住；
4)放入真空室中抽真空10分钟拿出封盒，用一定量的高浓度量子点溶液在滴在封口处，利用毛细管力驱动液体布满微腔；
5)用紫外固化胶密封微腔封口处，器件制备完成待测试。
实验例2：
1)采用高温分步合成方法，制备得到波长位置622nm的ZnS多壳层量子点材料，提纯清洗后溶解在甲苯中配置成浓度为100mg/ml量子点溶液。
2)上下玻璃基板清洗后采用溅射法镀上25个阵列的布拉格反射镜面材料SiO2；
3)用厚度为5μm热封胶膜垫在上下基板之间，留有封口，采用130度加热后，将两基板牢固封住；
4)放入真空室中抽真空10分钟拿出封盒，用一定量的高浓度量子点溶液在滴在封口处，利用毛细管力驱动液体布满微腔；
5)用紫外固化胶密封微腔封口处，器件制备完成待测试。
实验例3：
1)采用高温分步合成方法，制备得到波长位置622nm的ZnS多壳层量子点材料，提纯清洗后溶解在甲苯中配置成浓度为50mg/ml量子点溶液。
2)上下玻璃基板清洗后采用溅射法镀上25个阵列的布拉格反射镜面材料SiO2；
3)用厚度为10μm热封胶膜垫在上下基板之间，留有封口，采用130度加热后，将两基板牢固封住；
4)放入真空室中抽真空10分钟拿出封盒，用一定量的高浓度量子点溶液在滴在封口处，利用毛细管力驱动液体布满微腔；
5)用紫外固化胶密封微腔封口处，器件制备完成待测试。
如图2所示，为实施例1中制备的微腔量子点激光器在不同光源能量激发下的PL光谱图。选用红光量子点作为增益介质，相比于正常紫外灯激发，微腔量子点激光器的光致发光光谱(PL)峰的峰位发生了蓝移，从622nm移动到了585nm和611nm，半峰宽从30nm减小至10nm以下；其中585nm的激光峰来源于光在F-P腔体内共振产生的光耦合；同时，量子点的导带和价带发生了简并能级，光子吸收和发射又其导带和价带之间转移到第一简并能级的导带和价带之间，因而，光谱会发生蓝移，从622nm的发射峰变为611nm，半峰宽小于10nm。如图3所示，为实施例1-3采用不同浓度量子点制备的微腔量子点激光器在激光激发下的PL光谱图对比，随着浓度的增加，位于585nm的激光峰强度逐渐增大，峰宽逐渐变窄。

Claims (8)

1.一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，其特征在于，包括上基板(1)及其下表面的布拉格反射镜(2)、热封膜(3)和封口(4)、下基板(7)及其上表面的布拉格反射镜(6)、量子点增益材料(5)和激光泵浦源；所述热封膜(3)将具有布拉格反射镜的上、下基板紧密的热封在一起，形成微腔用于容置量子点增益材料(5)，热封膜(3)两端封口(4)处用紫外固化胶密封；所述量子点增益材料(5)采用浓度为50-120mg/ml的高浓度量子点溶液。
2.根据权利要求1所述的一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，其特征在于，所述微腔长度为热封膜的厚度，满足公式mλ/2＝nL，其中λ为发射激光的波长，L为微腔长度，n为量子点折射率，m为整数倍数。
3.根据权利要求1所述的一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，其特征在于，所述量子点增益材料(5)采用具有连续能带分布的多壳层量子点。
4.根据权利要求1所述的一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，其特征在于，所述布拉格反射镜采用四分之一波长的电介质材料。
5.根据权利要求1所述的一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，其特征在于，所述激光器为法布里-珀罗类型，反射的激光角度满足公式：其中θ为激光器探测角度，λ为发射激光的波长，L为微腔长度，n为量子点折射率，m为整数倍数。
6.根据权利要求1所述的一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器，其特征在于，所述激光器采用光泵浦激光激发或电泵浦激光激发。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将上、下基板清洗后镀布拉格反射镜面材料；
(2)用热封胶膜垫在上、下基板之间，留有封口，加热后将两基板牢固封住，得到封盒；
(3)将封盒放入真空室中抽真空后拿出，用高浓度量子点溶液在滴在封口处，利用毛细管力驱动液体布满微腔；
(4)用紫外固化胶密封微腔封口处，器件制备完成待测试。
8.根据权利要求7所述一种毛细管力驱动制备的微腔量子点激光器的制备方法，其特征在于，高浓度量子点溶液的制备方法为：采用高温分步合成方法，制备波长范围为470-650nm的多壳层量子点材料；将合成好的量子点进行提纯、清洗后，配制成浓度为50-120mg/ml溶解于非极性溶剂中的高浓度量子点溶液。
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