CN110600993A - 一种可调谐注入锁定有机半导体dfb微腔激光放大器 - Google Patents

一种可调谐注入锁定有机半导体dfb微腔激光放大器 Download PDF

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Abstract

一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，属于有机光电子学和纳米光子技术研究领域。包括石英玻璃基底，在石英玻璃基底的上表面设有光刻胶光栅模板，光刻胶光栅模板上表面填充有一层有机半导体增益介质材料，同时有机半导体增益介质材料的下表面也形成光栅结构，石英玻璃基底、光刻胶光栅模板、有机半导体增益介质材料构成有机半导体DFB微腔。实现一种高效、微型化的有机半导体激光放大器件，获得了远场模式质量高、发散角小、输出激光波长可控、可调谐的飞秒脉冲激光放大输出，对有机半导体激光器件、微腔激光技术、激光放大技术的发展具有重要作用。

Description

一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器
技术领域
本发明属于有机光电子学和纳米光子技术研究领域，具体涉及有机半导体微腔激光器研究方向。将注入锁定放大技术应用于有机半导体分布反馈式(DFB)微腔激光器，对注入微腔的飞秒种子光脉冲实现放大，并实现放大器输出光波长的调谐。
背景技术
有机半导体材料种类丰富，具有很高的光学增益系数与较宽的增益带宽，可以作为激光振荡器与放大器的增益介质。有机半导体器件制备工艺简单，易于实现器件的柔性化、集成化。这些特性使基于有机半导体材料的激光器具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。目前，基于有机半导体的光放大器鲜有报导，这主要因为此类激光器通常采用薄膜结构，注入光一次性通过增益介质薄膜，其放大性能受增益长度的限制，很难实现高能量或高功率放大，也很难克服薄膜激光器件模式差、发散角的问题。这些都直接影响了有机半导体激光器的实用化。
注入锁定技术被广泛应用于固体激光器、半导体激光器、光纤激光器等领域，常用来改善激光振荡器/放大器的输出性能，包括抑制噪声、改善激光模式和发散角、压缩脉宽、调节输出波长等。DFB微腔是有机半导体激光器的常用结构。但是其输出光斑模式质量差、光束发散角大，会引起很大的能量损耗，不利于输出光的直接远场应用。
本发明将注入锁定放大技术与有机半导体DFB微腔激光器相结合，实现一种高效、微型化的有机半导体激光放大器件，获得了远场模式质量高、发散角小、输出激光波长可控、可调谐的飞秒脉冲激光放大输出，对有机半导体激光器件、微腔激光技术、激光放大技术的发展具有重要作用。
发明内容
本发明基于上述问题和背景技术，提出将注入锁定技术用于有机半导体DFB微腔激光器，不仅可以利用微腔结构实现注入飞秒光脉冲的反馈放大，极大地提高有机半导体器件的放大效率；还可以使放大器输出光具有DFB微腔的低阈值、窄带宽特性。注入光以一定角度入射时，一部分光经衍射耦合进入微腔并与被激发的增益介质相互作用，其中满足布拉格条件的注入光可以通过分布反馈放大并衍射输出。改变微腔的有效折射率或光栅周期以改变微腔的共振波长，可以实现对放大器输出光波长的调谐；另外改变注入光注入微腔的入射角时，经光栅衍射耦合进入微腔的光波长会发生变化，从而改变放大器输出光的波长。放大器输出光的横模模式由注入光决定，通过使用准直性好的注入光锁定放大器输出光的横模模式，可以极大地优化输出光的发散角，以实现输出光的远场应用。
为实现上述目的，本发明的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，包括石英玻璃基底(8)，在石英玻璃基底(8)的上表面设有光刻胶光栅模板，光刻胶光栅模板上表面填充有一层有机半导体增益介质材料(13)，同时有机半导体增益介质材料(13)的下表面也形成光栅结构，石英玻璃基底(8)、光刻胶光栅模板、有机半导体增益介质材料(13)构成有机半导体DFB微腔。
进一步优选有机半导体增益介质材料(13)的下表面的光栅结构与光刻胶光栅模板的光栅结构贴合在一起且互补。
有机半导体增益介质材料(13)的下表面的光栅结构参数优选如下，光栅高度为80-500nm，光栅周期依据增益介质材料的荧光发射光谱或待放大光脉冲的中心波长确定；在可见光谱区，光栅周期一般在280-420nm范围内；光栅的占空比基本为1:1,单个光栅栅线的宽度随周期大小变化，约为周期的一半。
光刻胶光栅模板为光刻胶直光栅(10)、光刻胶啁啾光栅(11)、光刻胶倾斜光栅(12)。
所述的可调谐注入锁定有机半导体激光放大器的应用，泵浦光(14)和注入光(15)直接作用于有机半导体DFB微腔的有机半导体增益介质材料(13)上表面，注入光(15)，如图4-1所示，其中泵浦光、注入光到达微腔的时间延迟τ可以调节；注入光(15)以一定角度入射时，一部分光经衍射耦合进入微腔并与被激发的增益介质相互作用，其中满足布拉格条件的注入光可以通过分布反馈放大并衍射输出，注入光的光斑大小要小于泵浦光，实例中注入光光斑直径约为200-400μm，泵浦光为1.5-2mm；且注入光需要注入光栅结构范围内。实例2中，注入光注入光栅的不同周期处可以调节放大器输出光的波长。
泵浦光(14)可以为任意的入射角度。
进一步优选光刻胶光栅模板为光刻胶直光栅(10)、光刻胶啁啾光栅(11)时，注入光(15)的入射角为垂直有机半导体增益介质材料(13)，然后微调入射角度可以轻微改变放大器输出光的波长；光刻胶光栅模板为光刻胶倾斜光栅(12)时，可以调节注入光(15)的入射角，从而调节放大器输出光的波长，如实例3中，入射角从-1°调节到+7°，放大器输出光的波长从578-552nm。
改变微腔的有效折射率或光栅周期以改变微腔的共振波长，实现对放大器输出光波长的调谐；另外改变注入光注入微腔的入射角时，经光栅衍射耦合进入微腔的光波长会发生变化，从而改变放大器输出光的波长。放大器输出光的横模模式由注入光决定，通过使用准直性好白光作为注入光锁定放大器输出光的横模模式，可以极大地优化输出光的发散角，以实现输出光的远场应用。
有机半导体DFB微腔的制备流程如图3所示，共包含以下五个步骤：步骤(一)：清洁石英玻璃基片；
步骤(二)：在石英玻璃基片上旋涂一层光刻胶薄膜；
步骤(三)：通过图2中的光路进行曝光；
步骤(四)：经过显影制备光刻胶光栅模板；
步骤(五)：旋涂有机半导体增益介质材料构成有机半导体DFB微腔。
优选旋涂的有机半导体增益介质材料与光刻胶光栅模板齐平。
本发明的优势特点：
1、本发明首次将注入锁定技术应用于有机半导体DFB微腔激光器，实现了注入光的放大。
2、利用DFB微腔的高增益与窄带输出特性，以百纳米厚的有机半导体薄膜制备了高效的窄带光放大器，实现了放大器件的集成。
3、DFB微腔的制备采用干涉光刻与旋涂增益介质溶液的方法，具有低成本、工艺简单等特点。
4、通过改变微腔的光栅周期或有效折射率来调节微腔的共振波长，可以简单、快捷地调节放大器输出光的波长。
5、放大器输出光的横模模式由注入光决定，采用准直性好的注入光注入微腔可以实现放大器输出光的远场传输与应用。
6、利用有机半导体薄膜柔韧性好的特点，可以实现柔性光放大器件的制备。
7、有机半导体材料种类丰富，选用或合成合适的材料可以制备相应波长范围的光放大器。
8、选用其他类型的增益介质制备DFB微腔，如钙钛矿、量子点等，同样可以实现注入光的放大。
附图说明
图1、紫外干涉光刻光路示意图。
1紫外激光器；2反射镜；3扩束准直透镜组；4分束镜；5干涉光刻光路曝光部分。
图2、干涉光刻光路曝光部分的示意图。
2-1制备直光栅的干涉光刻光路曝光部分示意图；2-2制备啁啾光栅的干涉光刻光路曝光部分示意图；2-3制备倾斜光栅的干涉光刻光路曝光部分示意图。6紫外光光束；7光刻胶薄膜；8石英玻璃基底；9柱透镜。
图3、有机半导体DFB微腔的制备流程示意图。
6紫外光光束；7光刻胶薄膜；8石英玻璃基底；10光刻胶直光栅；13有机增益介质薄膜。
图4、基于DFB微腔可调谐注入锁定激光放大器。
4-1基于直光栅DFB微腔的注入锁定激光放大器；4-2基于啁啾光栅DFB微腔的可调谐注入锁定激光放大器；4-3基于倾斜光栅DFB微腔的角度调谐注入锁定激光放大器。8石英玻璃基底；10光刻胶直光栅；11光刻胶啁啾光栅；12光刻胶倾斜光栅；13有机增益介质薄膜；14泵浦光；15注入光；16放大器输出光。
图5、直光栅DFB微腔放大器输出光的角度调谐光谱。
实例1中，从0°(实心圆线)到0.5°(空心圆线)微调注入光的入射角可以调节放大器输出光的波长，调谐范围在1nm左右。
图6、直光栅DFB微腔放大器输出光与注入光的空间强度分布。
实例1中，分别测试放大器输出光(实心圆线)、注入光(空心圆线)在远场(0.5m)的空间强度分布，可知放大器输出光的横模模式基本由注入光决定。
图7、啁啾光栅DFB微腔放大器输出光的注入位置调谐光谱。
实例2中，保持注入微腔的角度不变，改变注入光注入微腔的空间位置3mm的过程中，实现放大器输出光波长从577-551nm的大范围调谐。
图8、倾斜光栅DFB微腔放大器输出光的角度调谐光谱。
实例3中，从-1°到+7°改变注入光注入倾斜光栅DFB微腔的入射角，实现了放大器输出光波长从578-552nm的大范围调谐。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
有机半导体DFB微腔由石英玻璃基底8、光刻胶光栅模板、有机半导体增益介质材料13构成，见图4；光刻胶光栅模板(光刻胶直光栅10、光刻胶啁啾光栅11、光刻胶倾斜光栅12)通过紫外干涉光刻法制备，干涉光刻光路图如图1所示,曝光部分的光路分别如图2中的2-1、2-2、2-3所示；通过改变曝光部分的光路5可以制备不同结构的光刻胶光栅模板，以实现放大器输出光波长的大范围调谐。
光栅高度为80-500nm，光栅周期为300-400nm。光栅的占空比基本为1:1,单个光栅栅线的宽度随周期大小变化，约为周期的一半。整体光栅结构的大小由附图2中紫外光光斑大小决定，通过改变光斑大小可以制备不同尺寸的光栅，实例中整个光栅结构尺寸直径大约为1cm。
注入光的光斑大小要小于泵浦光，实例中注入光光斑直径约为200-400μm，泵浦光为1.5-2mm；且注入光需要注入光栅结构范围内。实例2中，注入光注入光栅的不同周期处可以调节放大器输出光的波长。
光刻胶光栅模板为光刻胶直光栅(10)、光刻胶啁啾光栅(11)时，注入光(15)的入射角为垂直有机半导体增益介质材料(13)；实例3中，入射角从-1°调节到+7°(法向量的方向为0°，向左为负，向右为正)，放大器输出光的波长从578-552nm。
实施例1：基于直光栅DFB微腔的注入锁定激光放大器
(1)、直光栅DFB微腔的制备(附图3)：
①清洗并烘干石英玻璃基片；
②石英基片上旋涂一层光刻胶AR-3170薄膜；
③利用紫外干涉光刻光路进行曝光(附图1，附图2中的2-1)；
④经过显影制备光刻胶直光栅；
⑤在光刻胶直光栅上旋涂一层F8BT溶液制备直光栅DFB微腔。
(2)、基于直光栅DFB微腔的注入锁定激光放大器(附图4中的4-1)：
①使用波长400nm、重复频率1kHz的飞秒光泵浦直光栅DFB微腔；
②令宽带的超连续脉冲白光垂直微腔注入泵浦区域；
③调节泵浦光与注入光到达微腔的时间延迟τ，使放大器输出光最强；
④微调注入光的入射角，实现放大器输出光波长的调谐(附图5)。
⑤分别测试远场的注入光、放大器输出光的空间强度分布，对比发现放大器输出光的横模模式由注入光决定(附图6)。
实施例2：基于啁啾光栅DFB微腔的可调谐注入锁定激光放大器
(1)、啁啾光栅DFB微腔的制备(附图3)：
①清洗并烘干石英玻璃基片；
②石英基片上旋涂一层光刻胶AR-3170薄膜；
③利用改进的紫外干涉光刻光路进行曝光(附图1，附图2中的2-2)；
④经过显影制备光刻胶啁啾光栅；
⑤在光刻胶啁啾光栅上旋涂一层F8BT溶液制备啁啾光栅DFB微腔。
(2)、基于啁啾光栅DFB微腔的可调谐注入锁定激光放大器(附图4中的4-2)：
①使用波长400nm、重复频率1kHz的飞秒光泵浦啁啾光栅DFB微腔；
②令宽带的超连续脉冲白光垂直微腔注入泵浦区域；
③调节泵浦光与注入光到达微腔的时间延迟τ，使放大器输出光最强；
④保持注入光注入微腔的角度不变，调节微腔的空间位置以改变注入光注入微腔的周期，从而实现放大器输出光波长的大范围调谐(附图7)。
实施例3：基于倾斜光栅DFB微腔的角度调谐注入锁定激光放大器
(1)、倾斜光栅DFB微腔的制备(附图3)：
①清洗并烘干石英玻璃基片；
②石英基片上旋涂一层光刻胶S-1813薄膜；
③利用改进的紫外干涉光刻光路进行曝光(附图1，附图2中的2-3)；
④经过显影制备光刻胶倾斜光栅；
⑤在光刻胶倾斜光栅上旋涂一层F8BT溶液制备倾斜光栅DFB微腔。
(2)、基于倾斜光栅DFB微腔的角度调谐注入锁定激光放大器(附图4中的4-3)：
①使用波长400nm、重复频率1kHz的飞秒光泵浦倾斜光栅DFB微腔；
②令宽带的超连续脉冲白光以一定角度注入泵浦区域；
③调节泵浦光与注入光到达微腔的时间延迟τ，使放大器输出光最强；
④调节注入光注入微腔的入射角，实现放大器输出光波长的大范围调谐(附图8)。

Claims (10)

1.一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，包括石英玻璃基底(8)，在石英玻璃基底(8)的上表面设有光刻胶光栅模板，光刻胶光栅模板上表面填充有一层有机半导体增益介质材料(13)，同时有机半导体增益介质材料(13)的下表面也形成光栅结构，石英玻璃基底(8)、光刻胶光栅模板、有机半导体增益介质材料(13)构成有机半导体DFB微腔。
2.按照权利要求1所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，有机半导体增益介质材料(13)的下表面的光栅结构与光刻胶光栅模板的光栅结构贴合在一起且互补。
3.按照权利要求1所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，有机半导体增益介质材料(13)的下表面的光栅结构参数如下，光栅高度为80-500nm，光栅周期依据增益介质材料的荧光发射光谱或待放大光脉冲的中心波长确定；在可见光谱区，光栅周期一般在280-420nm范围内。
4.按照权利要求3所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，光栅的占空比基本为1:1,单个光栅栅线的宽度随周期大小变化，为周期的一半。
5.按照权利要求1所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，光刻胶光栅模板为光刻胶直光栅(10)、光刻胶啁啾光栅(11)、光刻胶倾斜光栅(12)。
6.按照权利要求1所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，泵浦光(14)和注入光(15)直接作用于有机半导体DFB微腔的有机半导体增益介质材料(13)上表面，其中泵浦光、注入光到达微腔的时间延迟τ可以根据需要调节；注入光(15)以一定角度入射时，一部分光经衍射耦合进入微腔并与被激发的增益介质相互作用，其中满足布拉格条件的注入光可以通过分布反馈放大并衍射输出。
7.按照权利要求6所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，注入光的光斑大小要小于泵浦光，且注入光需要注入光栅结构范围内。
8.按照权利要求6所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，泵浦光(14)可以为任意的入射角度。
9.按照权利要求6所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，光刻胶光栅模板为光刻胶直光栅(10)、光刻胶啁啾光栅(11)时，注入光(15)的入射角为垂直有机半导体增益介质材料(13)，然后微调入射角度可以轻微改变放大器输出光的波长；光刻胶光栅模板为光刻胶倾斜光栅(12)时，可以调节注入光(15)的入射角，从而调节放大器输出光的波长。
10.按照权利要求6所述的一种可调谐注入锁定有机半导体DFB微腔激光放大器，其特征在于，放大器输出光的横模模式由注入光决定，通过使用准直性白光作为注入光锁定放大器输出光的横模模式，可以极大地优化输出光的发散角，以实现输出光的远场应用。
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