CN1237675C - 驱动垂直激光腔用非相干发光器件 - Google Patents

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Abstract

一种激光发射设备，包括具有发光层的非相干发光器件，其中在发光层上施加了电场以产生从非相干发光器件发射出的光；以及一种垂直激光腔结构，布置成能接受非相干发光器件发出的光并产生激光。

Description

驱动垂直激光腔用非相干发光器件
技术领域
本发明涉及发光器件领域，尤其是基于有机材料的固体激光器。
背景技术
过去这些年来，对制造有机材料基固体激光器的兴趣正与日俱增。激光材料分为聚合物或小分子的，并采用多种不同共振腔结构，例如微型腔(US-A 6,160,828)、波导管、环形微型激光器以及分布式反馈(例如，还可参见G.Kranzelbinder等人，Rep.Prog.Phys.63，729[2000]和M.Diaz-Garcia等人，US-A-5,881,083)。所有这些结构所存在的一个问题是，为获得激光，必须通过采用另一个激光源进行光泵浦来激发该腔。电泵浦激光腔非常受青睐，因为这通常使得结构较为紧凑并更容易调制。
实现电泵浦有机激光器的主要障碍是有机材料的载体迁移率小，通常在10-5cm2/(V-s)数量级。如此低的载体迁移率带来许多问题。低载体迁移率器件一般局限于采用薄层，以避免大电压降和电阻发热。此种薄层使得产生激光的模式渗入到高损耗的阴极和阳极，从而导致激光阈值大幅增加(V.G.Kozlov等人，J.Appl.Phys.(应用物理杂志)84，4096[1998])。由于电子-空穴在有机材料中的复合遵守Langevin(郎之万)复合(其速率与载体迁移率成比例)，低载体迁移率导致电荷载体数目比单激子多若干数量级；其后果之一是，电荷诱导的(极化子)吸收可以成为显著损耗机理(N.Tessler等人，Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)74，2764[1999])。假定激光器件具有5％的内部光量子产额，采用迄今报道的最低激光阈值～100W/cm2(M.Berggren等人，Nature.(自然).389，466[1997])，并忽略上面提到的损耗机理，则推出电泵浦激光阈值的下限为1000A/cm2。若将这些损耗机理包括在内，则激光阈值将远高于1000A/cm2，这是迄今所报道的有机器件能承受的最高电流密度(N.Tessler，Adv.Mater.(先进材料)19，64[1998])。
避免这些困难的途径之一是用结晶有机材料代替无定形有机材料作激光介质。此种做法最近已有人采用(J.H.Schon，Scienee(科学)，289，599[2000])，其中采用单晶并四苯制作一种Fabry-Perot共振器。采用结晶并四苯可获得较大电流密度，还可使用较厚的层，因为载体迁移率已达到2cm2/(V-s)的数量级，并且极化子吸收也低得多。这导致室温电流密度阈值达到约1500A/cm2。有机材料基激光器的优点之一是，由于材料一般为无定形的，因此器件制作成本低，并且它们可在任何类型基材上生长。而单晶有机激光器方法使这两个优点打了折扣。
另外一些人建议用发光二极管(LED)来泵浦有机激光器，LED可以是无机的(M.D.McGehee等人，Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)72，1536[1998])或者是有机的(US-A-5,881,089)。McGehee等人(M.D.McGehee等人，Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)72，1536[1998])提到，为尝试用InGaN LED实现激光泵浦，他们需要降低其阈值至少一个数量级。Berggren等人(US-A-5,881,089)建议制作一种全有机整体激光器，其中器件的一部分(有机LED部件)提供非相干辐射，而相邻部分(激光腔)则提供光下行(optical down)转换、增益和光反馈。Berggren等人提到，激光腔应该或者是一种带有多个表面的波导腔、分布式反馈波导腔、分布式布拉格反射器波导腔，或者是一种光子点阵腔。Berggren等人仅给出了器件的有机发光二极管部分(OLED)的数据(其电流-电压和电压-亮度特性)。至于器件的光激射特性，他们仅提到，它在～620nm处产生相干辐射。鉴于Berggren等人根本未给出任何有关该器件光激射操作的进一步细节，因此很难确定该器件的光激射是否由器件的OLED部分激发所致。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用由非相干发光器件产生的光作为激光腔结构的输入来产生激光的改良安排。现已发现，垂直激光腔尤其适合接受该非相干发光器件发出的非相干光。
通过一种激光发射设备实现此目的，它包括：
a)非相干发光器件，具有发光层和横跨发光层施加电场的装置以产生从非相干发光器件发射出的光；
b)垂直激光腔结构，布置成能接受从非相干发光器件发出的泵浦光束，该结构包括：
(i)用于接受来自非相干发光器件的光并在规定波长范围内主要为透射或反射性的第一装置；
ii)用于接受来自非相干发光器件和第一光接受装置的光并产生激光的有机活性层；以及
iii)用于将来自有机活性层的光反射回到有机活性层中的第二装置，其中这两个装置组合起来发射出激光。
具体说，本发明以下三种激光发射设备：
1.一种激光发射设备，它包含：
a)一个有机发光二极管，具有发光层和横跨发光层施加电场的装置以产生从该有机发光二极管发射出的光；
b)垂直激光腔结构，布置成能接受从该有机发光二极管发出的泵浦光束，该结构包括：
(i)用于接受来自该有机发光二极管的光并在规定波长范围内主要为透射或反射性的第一层；
ii)用于接受来自该有机发光二极管和该第一光接受层的光并产生激光的有机活性层；以及
iii)用于将来自有机活性层的光反射回到有机活性层中的第二层，其中该第一和第二层的组合发射出激光。
2.一种激光发射设备，它包含：
a)有机发光器件，具有发光层和横跨发光层施加电场的装置以产生从有机发光器件发射出的光；
b)垂直激光腔结构，布置成能接受从有机发光器件发出的泵浦光束，该结构包括：
(i)用于接受和透射来自有机发光器件的光并反射规定波长范围内激光的第一布拉格反射镜；
ii)用于接受来自第一布拉格反射镜的透射光并产生激光的有机活性层；以及
iii)用于反射有机发光二极管透射的光和将来自有机活性层的激光反射回到有机活性层中的第二布拉格反射镜，其中该第二布拉格反射镜用于透射激光。
3.一种激光发射设备，它包含：
a)有机发光器件，具有发光层和横跨发光层施加电场的装置以产生从有机发光器件发射出的光；
b)垂直激光腔结构，布置成能接受从有机发光器件发出的泵浦光束，该结构包括：
(i)用于接受和透射来自有机发光器件的光并反射规定波长范围内激光的第一布拉格反射镜；
ii)用于接受来自第一布拉格反射镜的有机发光二极管透射的光并产生激光的有机活性层；以及
iii)用于反射有机发光二极管透射的光和将来自有机活性层的激光反射回到有机活性层中的第二布拉格反射镜，其中该第一布拉格反射镜用于透射激光。
本发明的优点在于：采用一种结合高反射电介质多层镜作为其上和下反射器的垂直腔设计，以及含有由小分子量有机材料组成的活性材料。结果，该激光腔具有非常低的阈值。这是由于：1)小有效体积；2)采用了损耗非常低、反射率非常高的电介质镜；3)光激射介质由能够沿下电介质叠层非常均匀地沉积的小分子量有机材料构成；以及4)光激射介质由基质有机材料(吸收非相干辐射)和小体积百分率掺杂剂有机材料(发射激光)组成，从而导致高光产额和低散射/吸收损耗。现已相当出乎意料地发现，由于截面面积和泵浦光束脉冲宽度(微秒数量级)的显著增加，阈值功率密度下降了几个数量级。垂直激光腔阈值非常低所带来的后果是，不需要使用高功率密度器件(聚焦激光)来造成该腔的光激射。结果，低功率密度器件，如非聚焦OLED辐射是足以用来泵浦激光腔的光源。有机材料基激光腔与OLED泵浦源的组合造就一种低廉和灵活多用的激光源，其光输出可在大波长范围内微调。
附图说明
图1是现有技术有机固体激光器件的截面示意图；
图2是按照本发明制造的电泵浦有机固体激光设备的截面示意图，该设备由两部分组成：一部分是电驱动OLED器件，发出非相干辐射；而第二部分是低阈值垂直激光腔，吸收该OLED辐射并发出较长波长的激光；
图3是本发明另一个实施方案的截面示意图；
图4是实例1讨论的垂直激光腔范例实施方案的输出功率对输入激发功率依赖关系的双对数标绘图；
图5是由实例1垂直激光腔发出的光激射跃迁的高分辨率光谱；
图6是实例2讨论的两个垂直激光腔范例实施方案输出功率对输入激发功率依赖关系的双对数标绘图。腔A和C分别具有195和780nm的活性层厚度；
图7是实例2中讨论的(垂直激光)腔A结构发出的输出强度谱。光沿着法线方向收集；
图8是实例2中讨论的(垂直激光)腔B结构(390nm活性层厚度)的输出功率对输入激发功率依赖关系的双对数标绘图；
图9是实例3中讨论的OLED器件相对输出强度谱。该OLED是以20mA/cm2驱动的，辐射沿着法线方向收集；
图10是由实例3的OLED-泵浦、垂直激光腔(腔A)发出的光激射跃迁的高分辨率光谱；以及
图11是实例3电驱动有机固体激光器件输出功率对驱动电流依赖关系的双对数标绘图，其中垂直激光腔结构是腔B，而OLED是采用2μs和8μs脉冲宽度驱动的。
具体实施方式
为了更全面领会两部分电驱动有机固体激光设备的构造和性能，下面将说明图1的现有技术有机激光腔器件100。
在图1所示现有技术中，有机激光腔器件100具有透明基材105，在其上形成镜层110。透明基材105可以是玻璃或石英的，而镜层110是一种分布式布拉格反射器(DBR)电介质镜叠层。DBR镜由λ/4厚的电介质层组成，其中λ代表DBR镜反射阻带的中心波长，叠层由高与低折射指数层交替组成。DBR镜的反射率一般都大于99％。成形DBR镜所使用的典型电介质材料是：二氧化硅，作为低指数材料；二氧化钛或Ta2O5，用作高指数材料。有机活性层115成形在整个DBR镜110上。活性层115可由小分子量有机材料或共轭聚合物有机材料构成。小分子量有机材料通常采用高真空热蒸发来沉积；而共轭聚合物则一般采用旋转流延(spin casting)成形。在活性层115上，通过热蒸发沉积一层金属120。典型的金属是银或铝，二者反射率均在90％以上。为使器件100能够光激射，用入射光束125来光泵浦活性材料115。由于要求入射光束125传送高光能密度给活性层115，故一般都采用激光作为入射光源并配合适当透镜。活性材料115吸收入射泵浦光束，然后将该能量中一部分作为较长波长的光发出。该长波光的一部分以不需要的自发发射射出，而另一部分则作为受激发射130发出，其方向垂直于层平面，并穿透下DBR镜110和透明基材105从该器件射出。
现有技术器件100之所以激光阈值高，有多种因素。采用金属层作为反射器之一导致在激光腔内部的每次往返期间约有10％激光损耗。另外，在约150nm活性层内存在金属可以导致活性材料的荧光显著猝灭(K.B.Kahen，Appl.Phys.Lett.(应用物理通讯)78，1649[2001])。采用共轭聚合物作为活性材料也是典型做法。因为这类材料是通过旋转流延沉积的，因此难以在整个活性层表面达到良好的厚度均一性。此种厚度的不均一性将导致往返行程相位出现差异，因为它是器件上横向位置的函数。结果，可能出现有害干涉，从而导致阈值的升高。共轭聚合物活性层(不采用基质-掺杂剂组合)的另一个问题是，在该光激射波长依然存在活性材料造成的明显吸收。
图2是按本发明制作的电泵浦有机固体激光设备200的截面示意图。它由两部分组成。第一部分201是不同于现有技术的垂直激光腔，不同之处在于基材205可以是透明或光学致密的；反射器210和220都是DBR镜；并且活性层215由采用基质-掺杂剂材料体系的有机材料制成。在优选的实施方案中，层205是硅基材；然而，它可以是任何在其表面可生长DBR镜的光学平坦基材。DBR镜210沉积在基材205上。它优选通过传统溅射或电子束(e-束)沉积来长成，因为电介质层达到精确厚度是至关重要的。为了由垂直激光腔获得最佳性能，下DBR镜设计成不仅反射激光230，而且反射入射OLED光225。因此，除了沉积λ/4厚的交替高与低折射指数电介质层(此处，λ被选择在接近要求的光激射波长处)，还沉积了附加的交替高与低折射指数电介质层，使得对OLED光225产生宽的反射最大值。特别是，只要求反射活性层215基质材料所吸收的那部分OLED光225。优选的是，在光激射波长处，下DBR镜的反射率大于99.9％，同时对OLED光225的反射率最大值应大于90％。在DBR镜210表面沉积有机活性层215，这可以通过传统高真空(10-7Torr)热蒸汽沉积或由溶液的旋转流延来成形。为获得低阈值，优选的是，活性层215的厚度是λ/2的整数倍，其中λ是光激射波长。整数倍等于1或2时获得最低阈值。活性层215包含基质和掺杂剂有机分子。优选的是，有机分子为小分子量的，因为目前这样的材料能够做到沉积得更加均一。本发明使用的基质材料选自任何材料，只要具有对OLED光225的足够吸收并且能将大部分激发能通过Forster能量转移传递给掺杂剂材料。本领域技术人员熟悉Forster能量转移概念，它涉及基质与掺杂剂分子之间的无辐射能量转移。红光激光器用的基质-掺杂剂组合的一个例子是，三(8-羟基喹啉)铝(Alq)作为基质，并以4-(二氰基亚甲基)-2-叔丁基-6-(1，1，7，7-四甲基久洛尼定基-9-烯基)-4H-吡喃(DCJTB)作为发红光掺杂剂。DBR镜220沉积在活性层215表面。它也可通过传统电子束沉积来沉积；然而，此时优选的是，在沉积加工期间，有机物的温度维持在75℃以下。DBR镜220由λ/4厚的交替高与低折射指数电介质层组成，以便在光激射波长λ1处获得高反射率；还沉积了附加的交替高与低折射指数电介质层，以便产生对OLED光255的宽透射最大值。优选的是，在光激射波长处，上DBR镜220的反射率大于98％，同时它透射大于90％的OLED光225。
有机固体激光器件200的第二部分231是一个或多个电驱动有机发光二极管器件，产生光谱规定区段内的非相干光。作为OLED器件的例子，参见US-A-6,172,459，授予Hung等人，及其援引的参考文献，在此将该公开内容收作参考。
有机发光器件231具有透明基材235，其表面成形了透明的空穴注入阳极240。基材235可以是玻璃或石英的，且阳极240优选是成形在基材235整个表面上的铟锡氧化物(ITO)薄层。ITO可通过蒸发、溅射和化学蒸汽沉积法来沉积，优选厚度介于20～150nm。有机空穴传输层245成形在阳极240整个表面上，在空穴传输层245表面成形了有机发光层250，并在发光层250表面成形了有机电子传输层255。作为这三层的例子，可用的结构包括：一个二胺层，如4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]联苯(NPB)作为空穴传输层245；未掺杂的9，10-双(2-萘基)蒽(ADN)作为发光层250；以及Alq作为电子传输层255。这些有机层一般通过高真空热蒸发来制备。它们的优选厚度，对于NPB是40～250nm；对于ADN是10～50nm；对于Alq是10～200nm。最后，将阴极层260成形在电子传输层255表面，阴极层材料选择为具有小于4.0eV的功函数。优选的阴极层260是MgAg，其中MgAg体积比是10∶1。它可通过传统热蒸汽沉积来成形，层厚度的优选范围是50～300nm。正如本领域充分了解的，电压V可施加在阳极和阴极之间以提供促使发光层产生泵浦光束所必需的电场，此光束是从有机发光二极管器件发射出的。电压V可以是连续或脉冲形式的。
在典型偏置条件下，电子(负电荷载体)将从阴极260注入到有机电子传输层255中，而空穴(正电荷载体)将从阳极240注入到有机空穴传输层245中。电子和空穴穿过相应有机层255和245传输并进入到有机发光层250中。在有机发光层250中，电子和空穴主要在接近空穴传输层245与发光层250之间的界面处彼此复合。所发生的复合导致有机发光层250产生光发射。在发光层所产生的光当中，约50％直接朝基材235的方向发出，而其余50％则朝阴极260发射，在阴极它沿着基材方向部分地被反射回去。反射回来的光与直接发射出去的光合并产生总光225，然后透过基材235从器件发出。
离开有机发光器件231之后，OLED光225通过上DBR镜220进入到激光腔201中。由于上DBR镜的特殊设计，该光的绝大部分传入到活性层215中。依靠该结构，活性层基质吸收OLED光225的一部分。未被吸收(活性层的吸收长度太小时)的这部分光当中，光225的剩余部分进入到下DBR镜层210中，在此按照设计，该光的大部分反射回到活性层中以准备第二行程。在第二行程期间，OLED光225的又一部分被活性层基质吸收。通过Forster能量转移机理，基质吸收的光能被非辐射地转移到掺杂剂分子中。优选的是，掺杂剂分子具有高发射光产额，因为这将使得绝大部分非辐射转移的能量以较长波长光的形式再次发射。例如，当ADN作为该OLED发光材料，Alq作为活性层基质并且DCJTB作为活性层掺杂剂时，发出的OLED光是蓝色的，Alq主要在蓝色范围吸收，而DCJTB则在红色区发射。激光腔201被设计成红光的高-Q腔，尤其对那些上和下DBR镜具有最高反射率的波长范围而言。本领域技术人员熟悉这样的概念，即光激射发生在具有最高净增益的特定波长。在这样的波长，激光230于上和下DBR镜之间多次反射之后，大部分将穿过上DBR镜220发出(因为按设计，下DBR镜的镜损耗比上DBR镜的低得多)。
图3示意地表示本发明另一个范例实施方案。在图3中，垂直激光腔和电驱动有机发光二极管器件已经合并为一个整体器件。图3的有机固体激光器件的工作情况非常类似于图2的激光器，只是存在以下区别。在本实施方案中，透明基材层235既是垂直激光腔的又是OLED器件的基材。另一个与图2的主要区别在于，OLED光225穿过下DBR镜210进入到垂直激光腔中。因此，下DBR镜210由交替的高与低折射指数电介质层组成，使得在激光230的波长处其反射率大于99.9％，并且透过大于90％的OLED光225。相应地，上DBR镜220由交替的高与低折射指数电介质层组成，使得在激光230的波长处其反射率大于98％，并且反射大于90％的OLED光225。应注意，本发明包括那些非相干光源直接安装在基材上，而垂直激光腔结构又安装在该非相干光源上的情况。
给出下面实施例的目的为的是进一步理解本发明，但不构成对它的限制。
实施例
实例1
为确定图2所描述的有机固体激光器件的一般光激射特性，将一种垂直激光腔结构成形在预清洁过的4英寸硅基材上。在该基材表面，用传统电子束沉积法沉积下DBR镜，它由分别为Ta2O5和SiO2的交替高与低折射指数层构成。形成的镜层在600～720nm之间具有大于99％的反射阻带，其中在中心波长660nm处，其反射率大于99.999％。在下DBR镜的顶面，采用高真空热蒸发法沉积一个活性层，后者由200nmAlq，掺杂以1％DCJTB组成。最后，上DBR镜采用低温电子束沉积技术进行沉积，其间保持硅基材的测定温度低于72℃。它由分别为二氧化钛和二氧化硅的交替高与低折射指数层组成。形成的镜层在665～775nm之间具有大于99％的反射阻带，其中在中心波长720nm处其反射率大于99.9％。活性层厚度的选择原则应使得垂直激光腔结构的光激射波长λ1等于约690nm。更具体地说，活性层厚度应选择为λ1/2n，其中n(＝1.691)是活性材料在690nm处的折射指数测定值。
该垂直激光腔结构利用蓝色GaN激光二极管(λ＝419nm)进行光泵浦。二极管由函数发生器(HP)，在8V以4KHz重复速率驱动，结果产生50ns脉冲。据测定，在8V时，二极管可输出～30mWcw。利用160mm透镜，该泵浦光束被法向聚焦到垂直激光腔结构表面，成为62μm大小的光斑。脉冲能量利用标定的中等密度滤光器加以改变。沿腔的法线方向(具有约16°的全角接受锥度)的发射光谱，利用双单色器(Spex)进行分频，并由冷却的光电倍增管(Hamamatsu)予以检测。
图4表示在684nm处的激光跃迁和在626nm处的自发发射峰的输出功率对输入激发功率依赖关系的双对数标绘。626nm处的自发发射峰是由于上DBR镜在超出反射阻带(665～775nm)时反射率锐减所致；因此在626nm，上叠层的反射率测定值为约3％。如图所示，该光激射跃迁仅在低激发能量时在功率标绘图上显示扭结，而在高能量密度时，由于猝灭现象两条跃迁曲线皆显示趋于平坦。更重要的是，阈值泵浦能量密度为约0.06W/cm2(或3nJ/cm2)，比迄今为止文献中报道的最低阈值还低若干数量级(M.Berggren等人，Nature(自然)，389，466[1997])和T.Granlund等人，Chem.Phys.Lett，(化学物理通讯)，288，879[1998])。最后，该图表明光激射跃迁的斜率大于自发发射特性的斜率(0.91比0.75)。除了该能量标绘中的扭结和光激射跃迁斜率较大之外，光激射的另一个证据在图5中给出，图中表示一个684nm附近的光激射峰的高分辨率谱。鉴于该峰的FWHM是0.4nm，处于单色器的分辨率极限处，所以光激射跃迁也至少是这样窄。另一方面，在626nm测定的自发发射峰的FWHM是7nm。两个峰都是在输入功率等于0.6W/cm2(比光激射阈值高一个数量级)条件下测定的。
本实例展示，使用我们设计的垂直激光腔结构，可获得极其低的光激射阈值。正是由于有如此低的阈值，才使我们得以使用非相干光源来激发此种激光腔。
实例2
在本实例中，将讨论类似于实例1中描述的那种垂直激光腔结构。制造了3个名义上设计为在660nm发射激光的腔(用硅基材)。腔A的活性层厚度是λ1/2n(＝195nm)；腔B的活性层厚度是λ1/n(＝390nm)；腔C的活性层厚度是2λ1/n(＝780nm)。所有这三个活性层皆由Alq，掺杂以1％DCJTB构成。上和下DBR镜在三种情况下都相同，并且按如下所述制成。下DBR镜由分别为二氧化钛和二氧化硅的交替高与低折射指数层组成。形成的镜在580～750nm之间具有大于99％的反射阻带，其中在中心波长665nm处，其反射率大于99.999％。另外，该镜在445nm处具有宽反射最大值，其峰值反射率大于92％。上DBR镜也由分别为二氧化钛和二氧化硅的交替高与低折射指数层组成。形成的镜在625～745nm之间具有大于99％的反射阻带，其中在中心波长685nm处其反射率大于99.9％。另外，该镜在445nm处具有宽透射最大值，其中平均透射率大于97％。
图6显示腔A(195nm厚活性层)和腔C(780nm厚活性层)输出功率对输入激发功率依赖关系的双对数标绘，其中激发源还是在8V以5KHz重复速率操作的GaN激光二极管，产生50ns宽的脉冲。腔A和C的光激射跃迁分别出现在671.5和681nm。该图显示，在包含较大活性层厚度的微型腔情况下，光激射跃迁变得更加鲜明。有关微型腔的此类观察结果此前曾被Yokoyama等人注意到(H.Yokoyama等人，Appl.Phys.Lett(应用物理通讯)58，2598[1991])，可作为垂直腔产生激光的又一佐证。同样，与Yokoyama等人的结果相一致，该图显示，随着活性层厚度从195nm增加到780nm，阈值功率也相应增加(0.07W/cm2到0.22W/cm2)。应当注意的是，腔C的阈值功率密度取自高斜率跃迁区末端；非常可能的是该阈值出现在该跃迁区内的某一点。
腔A，如图7所示，表示一个位于671.5nm的光激射跃迁光谱以及一个位于约594nm的自发发射峰，相应输入激发功率为7W/cm2(比该光激射阈值高出两个数量级)。同样，自发发射峰的出现是由于上DBR镜在超出其反射阻带(625～745nm)时反射率锐减所致。如同上面一样，其FWHM为约7nm。该图显示，该腔的发射光谱完全由高增益主导，尤其是窄激光跃迁区。
图8表示三种不同输入光束激发条件(以下称腔B1、B2和B3)腔B(390nm厚活性层)的输出功率对输入激发功率依赖关系的双对数标绘。腔B1～B3指的是三种不同激光泵浦光束条件：B1)10KHz重复速率、10ns脉冲宽度和62μm圆光斑；B2)4KHz重复速率、50ns脉冲宽度和2.5mm宽方形斑；以及B 3)4KHz重复速率、2μs脉冲宽度和2.5mm宽方形斑。所有这三种腔均用分别工作在8、8和7V电压(7V相当于约22mW cw)的GaN激光二极管激发。所有这三种腔的光激射波长都在666nm附近。图中显示的总趋势是，阈值功率密度随光斑大小和脉冲宽度的增加而降低(如下面定性说明的那样)。比较图8的结果与图6的结果可以看出，腔B1的阈值功率密度(0.14W/cm2)与腔A(0.07W/cm2)和C(0.22W/cm2)成线性。因此，泵浦光束脉冲宽度从10ns变到50ns看来没有影响(或基本很小)。比较腔B1与B2可以看出，输入光斑面积增加到2000倍，则阈值减少为1/35。重要的是要注意到，低于和高于阈值的双对数功率曲线斜率，在这两种条件下彼此非常相似：在腔B1条件下是0.68与0.96；腔B2则是0.71与0.91(注：对于腔A，相应斜率是0.76和0.92)。接着比较腔B2和B3可以看出，脉冲宽度从50ns增加到2μs使得阈值功率密度又缩小10倍，而达到0.0004W/cm2。引人注目的是，高于阈值的双对数功率曲线斜率基本维持在0.92不变，然而低于阈值的双对数功率曲线斜率则急剧增加到1.24(变成光激射跃迁区)。这两种结果结合起来(比较腔B1与B3)，超过两个数量级的阈值功率密度降低将出现在光斑大小从3×10-5增加到0.063cm2以及泵浦光束宽度从50ns增加到2μs时。最后，腔B3的功率转化效率(激光输出功率除以泵浦光束输入功率)在高于阈值输入功率密度一个数量级条件下经测定为约0.06％。因此，需要1.67mW蓝光输入功率来产生1μW红光输出功率。通过降低上DBR镜的反射率并给光激射模式提供某种横向限制，应可能大大提高功率转化效率数值。
本实例相当出乎意料地显示，通过增加泵浦光束脉冲宽度和光束大小，可显著降低光激射阈值功率密度，这进而使得OLED驱动(电泵浦的)激光腔成为可能。
实例3
这是一个图2给出的实施方案的例子，其中来自有机发光二极管231的非相干光输出225被用于驱动垂直激光腔结构201。腔A和B，如同实例2中所述，用作垂直激光腔结构，而OLED器件则按如下所述制作：
a)ITO涂层玻璃的85nm厚透明阳极在商业洗涤剂中接受超声波处理，在去离子水中洗涤，在甲苯蒸汽中脱脂，然后与强氧化剂进行接触；
b)150nm厚NPB空穴传输层按传统热蒸汽沉积法沉积在ITO阳极上；
c)30nm厚ADN发光层按传统热蒸汽沉积法沉积在NPB层上；
d)20nm厚Alq电子传输层按传统热蒸汽沉积法沉积在发光层上；
e)100nm厚MgAg阴极按传统热蒸汽沉积法沉积在电子传输层上。Mg∶Ag体积比是10∶1。
该OLED器件由串联在放大器(Avtech)上的函数发生器(HP)来电驱动，放大器可向高阻抗负载输出0～24V。为了监测向OLED器件供应的电流，在OLED上串接了27Ω电阻，其电压由100MHz数字示波器(Textronics)测出。一对60mm透镜用于将来自OLED的输出象素(3mm×3mm)沿法向1∶1成像到该垂直激光腔结构的表面。
在cw驱动电流等于20mA/cm2条件下，OLED器件具有1.46W/(Sr-m2)的测量辐射率(沿法线观察方向收集)。图9显示OLED的相对辐射率的光谱标绘。如图所示，峰值辐射位于448nm。鉴于Alq吸收系数在450nm处开始急剧下降，所以只有一部分OLED输出被激光腔吸收。
图10显示用OLED器件产生的非相干光来驱动腔A的激光输出光谱。结果是在OLED电流刚好高于阈值的条件下给出的。光谱由一种分辨率(0.55nm而不是0.4nm)略低于图5中使用的单色器测定。结果，该激光线的FWHM是0.55nm。还应指出，腔A由50ns宽的脉冲驱动，聚焦为62μm的光斑，而图10使用的单色器也测得谱带宽度为0.55nm。因此，光激射跃迁的狭窄特性不因改用较宽(时间和面积)和非相干输入泵浦光束而改变。
图11显示电泵浦有机固体激光器件(腔B是该垂直激光腔结构)激光输出功率对OLED电流密度的依赖关系的双对数标绘。结果针对两种不同电流脉冲宽度2μs和8μs给出，其中两种情况的重复速率都是4KHz。每条双对数功率曲线显示三个线性段(以及两个相应的扭结段)。双对数功率曲线的第一线性段的高斜率是由于OLED器件的RC时间常数(对于小OLED驱动电流的情况，为1μs的数量级)的非线性效应所致。在2μs脉冲器件情况下，中和上线性段的斜率分别为1.22和1.04，这与上面实例2关于腔B3(同样的激光腔但驱动采用光束形状和脉冲宽度几乎与OLED输出匹配的输入激光束)所给出的斜率1.24和0.92非常相近。激光驱动与OLED驱动的垂直激光腔之间在功率斜率上的近似表明，功率曲线特性并不取决于泵浦光束功率源的相干性或光谱特性。对于8μs脉冲器件，图11显示其表现类似于2μs脉冲器件，中和上段的直线斜率分别为1.13和0.98。该图还显示，对2和8μs脉冲器件而言阈值电流分别为约0.5和0.3A/cm2。正如上面所讨论的，Schon等人近来报道的电泵浦结晶有机激光器(J.H.Schon，Science(科学)289，599[2000])具有1500A/cm2的阈值电流，相当于本实例器件的5,000倍。
本发明的其它特征包括下面这些。
一种垂直激光腔结构，配置成可接受从另一器件发出的非相干泵浦光束，该结构包含：
a)第一DBR镜，用于接受和透射器件光，并反射规定波长范围内的激光；
b)有机活性层，用于接受来自第一DBR镜的透射光并产生激光；以及
c)第二DBR镜，用于反射透过的器件光并将来自有机活性层的激光反射回到该有机活性层，其中两个DBR镜组合起来发射出激光。
该激光发射结构，其中通过增加泵浦光束的截面面积并提供微秒级脉冲宽度的泵浦光束，从而可降低阈值功率密度。

Claims (7)

1.一种激光发射设备，它包含：
a)一个有机发光二极管，具有发光层和横跨发光层施加电场的装置以产生从该有机发光二极管发射出的光；
b)垂直激光腔结构，布置成能接受从该有机发光二极管发出的泵浦光束，该结构包括：
(i)用于接受来自该有机发光二极管的光并在规定波长范围内主要为透射或反射性的第一层；
ii)用于接受来自该有机发光二极管和该第一光接受层的光并产生激光的有机活性层；以及
iii)用于将来自有机活性层的光反射回到有机活性层中的第二层，其中该第一和第二层的组合发射出激光。
2.权利要求1的激光发射设备，其中该有机发光二极管与垂直激光腔结构或者物理隔开或者直接连接。
3.一种激光发射设备，它包含：
a)有机发光器件，具有发光层和横跨发光层施加电场的装置以产生从有机发光器件发射出的光；
b)垂直激光腔结构，布置成能接受从有机发光器件发出的泵浦光束，该结构包括：
(i)用于接受和透射来自有机发光器件的光并反射规定波长范围内激光的第一布拉格反射镜；
ii)用于接受来自第一布拉格反射镜的透射光并产生激光的有机活性层；以及
iii)用于反射有机发光二极管透射的光和将来自有机活性层的激光反射回到有机活性层中的第二布拉格反射镜，其中该第二布拉格反射镜用于透射激光。
4.权利要求3的激光发射设备，其中有机发光器件与垂直激光腔结构或者物理隔开或者直接连接。
5.权利要求4的激光发射设备，其中有机发光器件依次包含：
a)透明基材；
b)透明阳极层，配置在该基材上；
c)空穴传输层，配置在阳极层上；
d)发光层，配置在空穴传输层上；
e)电子传输层，配置在发光层上；以及
f)阴极，配置在电子传输层上。
6.一种激光发射设备，它包含：
a)有机发光器件，具有发光层和横跨发光层施加电场的装置以产生从有机发光器件发射出的光；
b)垂直激光腔结构，布置成能接受从有机发光器件发出的泵浦光束，该结构包括：
(i)用于接受和透射来自有机发光器件的光并反射规定波长范围内激光的第一布拉格反射镜；
ii)用于接受来自第一布拉格反射镜的有机发光二极管透射的光并产生激光的有机活性层；以及
iii)用于反射有机发光二极管透射的光和将来自有机活性层的激光反射回到有机活性层中的第二布拉格反射镜，其中该第一布拉格反射镜用于透射激光。
7.权利要求6的激光发射设备，其中有机发光器件与垂直激光腔结构或者物理隔开或者直接连接。
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