CN1540819A - 激光振荡器 - Google Patents

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Abstract

提供振荡波长在可见光范围内的激光振荡器并且增强光子输出的转换效率，进一步抑制能量消耗。该激光振荡器包含在基底上形成的发光元件和光谐振器。发光元件包括发光层、阳极和阴极，其中发光层夹在阳极和阴极之间。发光层包含主体材料和磷光材料，磷光材料以不小于10wt％的浓度分散在主体材料中。阳极和阴极包含透光性能。在来自磷光材料的受激准分子状态的发光中，与发光层相交的单向光被光谐振器放大。

Description

激光振荡器
技术领域
本发明涉及激光振荡器，其通过受激准分子的包含(included)发射来发射激光束。
背景技术
半导体激光器具有许多优点，其中激光振荡器可以显著小型化并且与其它气体激光器或固体激光器相比，激光振荡器的重量可以减轻。所以，半导体激光器已经在许多领域投入实际应用，作为利用光集成电路中的光互连来发送和接收信号的光源，作为用光学纤维作光波导的光通讯的光源，作为在记录介质如光盘上记录中所用的光源，以及光存储器。此外，半导体激光器的振荡波长在蓝色波长到红外波长范围内延伸。通常投入实际应用的半导体激光器包括存在于红外区域内的振荡波长。实际应用中的半导体激光器的实例包括：GaAs激光器(波长为0.84μm)、InAs激光器(波长为3.11μm)、InSb激光器(波长为0.72μm-0.9μm)和InGaAsP(波长为1.0μm-1.7μm)。
通过光学系统使激光束的束斑减小的定向特征或衍射极限取决于激光束的波长。更具体地，已知波长越短，定向特征增加越多，其进一步减小衍射极限。当激光束的定向特征增强时，可以抑制向错，所以通过光通讯和光集成电路中的光互连来发送和接收信号的精度可以增强。结果，可以实现更高集成度的光集成电路。此外，当衍射极限减小时，可以进一步减小激光束的束斑，可以进行记录介质中的高密度记录，例如光盘和光存储器，从而获得高容量记录介质。结果，波长更短的激光束的形成在使用上述半导体激光器的任何领域中是有意义的问题。因此，与振荡波长在可见光范围内的半导体激光器的实际应用相关的研究相当活跃。
在以下专利文献中公开了峰值波长λ为510nm的有机半导体激光器。
[特许公开专利通报1]
JP2000-156536(第11页)
作为激发(泵浦(pumping))半导体激光器的方法、形成结和注入载体的方法，已知电子束激发、光激发、使用雪崩击穿的激发方法等。为了由半导体激光器获得包含激发，必须使用上述激发方法向作为激光介质的半导体提供强能量(泵浦能量)，其可以产生粒子束反转。但是，粒子束反转中能态的形成实际上不足以振荡激光束，所以必须为激光介质提供高于阈值的泵浦能，该阈值是引发振荡是必需的。
由于引发振荡所需的泵浦能量取决于构成激光介质的物质的特性，所以该能量随着半导体激光器的种类而变化。优选地，在使用具有低振荡泵浦能的半导体激光器的情况下，由激发输入向光子输出的转换效率更高，因此，可以减小能量消耗。所以，期望的是可以增强光子输出的转换效率同时减小泵浦能的半导体激光器。特别是在低能量消耗与商业价值直接相关的领域中，非常希望改善半导体激光器的转换效率。
发明内容
由于以上原因，已经实现了本发明，所以本发明的目的是提供一种激光振荡器，其振荡波长在可见光区域内，并且能够提高光子输出的转换效率和降低能量消耗。
为了解决上述问题，通过使用含有磷光材料的激光介质形成激光振荡器，所述磷光材料可以通过结合处于三重激态的分子产生受激准分子。激光振荡器包括光谐振器和激发部分。激发部分有激光介质(激发介质)和向激光介质提供泵浦能的泵浦源。可以将三重激态转变成发光的材料，即可以在从三重激态返回基态过程中发射磷光的材料，表示为磷光材料。
关于根据本发明的激光振荡器，用铂作为其中心金属的有机金属配合物用于磷光材料，并且磷光材料以不小于10wt％的高浓度分散在激光介质中。本发明的发明人发现，处于上述浓度的磷光材料分散体有效产生受激准分子。通过使用含有铂作为其中心金属的有机金属配合物，可以由受激准分子状态(受激准分子发射)产生发光并且磷光在不小于500nm至小于700nm的波长范围内存在峰值，该波长区域是可见光范围的一部分。应当注意，除了受激准分子发射和磷光以外，在从单重激态返回基态时，由磷光材料发射的光子可能含有荧光。通过增大磷光材料的浓度，可以仅产生受激准分子发射。
可以认为，单重激态和三重激态在电致发光中以1∶3的比例产生，所以已知使用磷光材料可以获得更高的发光效率。由于通过三重激态产生了通过结合三重激态的分子和基态的分子构成的受激准分子，所以与单重激态相比，受激准分子具有更长的激发寿命。所以，在含有上述磷光材料的激光介质中产生的受激准分子发射具有更长的激发和磷光寿命。
图1a表示通过使三重激态的分子M与分子M*结合形成的受激准分子的能级。如图1A所示，当通过施加泵浦能使处于基态(能量E1)的分子M激发时，可以产生处于三重激态(能量E2)的分子M*。处于三重激态的分子M*与处于基态的分子M结合，因此形成处于激发态的受激二聚物[M+M]*，其能量略低于能量E2(能量E3)。在从激发态(能量E3)返回到基态(能量E1)时发射的光(hv)对应于受激准分子发射。
受激二聚物[M+M]*的激发寿命与处于三重激态的分子M*的寿命相同，其比处于单重激态的分子M的激发寿命相对更长。因此，受激二聚物[M+M]*可以产生粒子数反转，与使用处于单重激态的分子的情况相比，具有更小的泵浦能。
此外，根据本发明，通过使用受激准分子产生粒子数反转，与使用单体的情况相比，可以用更小的泵浦能振荡激光束。为了比较使用受激准分子的情况和使用单体的情况，在图1B中表示了处于三重激态的单体分子M的能级。在图1B中，通过施加泵浦能使处于基态(能量E1)的分子激发，因此可以获得处于三重激态(能量E2)的分子M*。如果假定在图1B的情况下不产生受激准分子，则当激发寿命结束时，处于三重激态的分子返回到激态(能量E1)，同时发射磷光(hv)。
与图1B相比，在图1A中，通过用泵浦能激发一个分子M，可以使两个分子处于激发态。同时，在图1B中，每个分子由泵浦能单独激发。结果，与使用单体的情况相比，在使用受激准分子的情况下，用较小的泵浦能可以形成粒子数反转。
如上所述，关于由上述磷光材料获得的发光，通过增大磷光材料的浓度，可以只获得受激准分子发射。但是，存在处于三重激态的单体获得的磷光也包含在所获得的受激准分子发射中的情况，这取决于磷光材料的浓度。所以，可以通过根据每种光的波长调节和优化构成光谐振器的一对镜子之间的长度(谐振器长度)，或者调节和优化在所述成对镜子之间的激光介质长度，以形成驻波，可以选择准备在光谐振器中放大的光子。
关于激发方法，可以使用光激发、形成结和注入载体的方法等等。应当注意，当采用光激发时，受激的光含有与准备放大的光相同波长的光。当采用注入载体的方法时，在发光层中可以形成含有磷光材料的发光元件，因此通过提供电流直接形成电子/空穴对。根据本发明发光元件包含发光层，其通过施加电场而产生发光，还包括阳极和阴极。发光层夹在阳极和阴极之间。此外，可以在发光层和阳极之间形成空穴注入层和空穴传输层等，而在发光层和阴极之间还可以形成电子注入层和电子传输层等。在这种情况下，夹在阳极和阴极之间的所有层与发光层一起被称为电致发光层。构成电致发光层的层中还可以包括无机化合物。为了高效产生受激准分子，优选的是使与电致发光层接触的空穴传输层或空穴注入层的电离电位大于主体材料或发光层的电离电位。或者优选的是设定在空穴传输层或空穴注入层的电离电位与主体材料或发光层的电离电位之间的差值为小于0.4eV，即使主体材料或发光层的电离电位大于空穴传输层或空穴注入层的电离电位。
根据具有上述结构的本发明，可以获得能够振荡具有可见光范围的振荡波长的激光束、提高光子输出的转换效率和降低能量消耗的激光振荡器。
附图说明
在附图中：
图1A表示在获得受激准分子发射情况下的磷光材料的能级，图1B表示在获得磷光的情况下的磷光材料的能级；
图2A-2C表示根据本发明使用光激发的激光谐振器的结构；
图3A表示用于根据本发明的激光谐振器的发光元件的元件结构，图3B是在发光元件中的电致发光层的能带图；
图4A-4C表示根据本发明使用通过注入载流子进行的激发方法的激光振荡器的结构；
图5A和5B表示在通过包含发射获得的光子的放大方向存在于由激光介质形成的薄膜内的情况下，两种反射材料和激光介质之间的位置关系；和
图6A和6B表示在激光介质中所含磷光材料在某一方向对齐的情况下，激光振荡器的结构。
具体实施方式
以下将参考附图描述本发明的实施方式。正如本领域技术人员可以容易理解的那样，本发明可以用其它不同的方式实施，并且如果这些变化和改变不偏离本发明的目的和范围，实施方式及其细节可以变化和改变。因此，本发明的解释并应当限于在实施方式1和实施方式2中所进行的描述。
[实施方式1]
在实施方式1中，根据本发明的激光振荡器的结构将参考图2A-2C进行描述。在图2A中，表示了根据本发明使用光激发的激光振荡器。该激光振荡器包含含有磷光材料的激光介质101、光谐振器102和激发光源103。在本发明中，在激光介质101中含有用铂作为其中心金属的有机金属配合物。更具体地，当使用下式1-4表示的物质按不小于10wt％的浓度分散在主体材料中的激光介质101时，可以产生磷光和受激准分子发射。
[化学式1]
[化学式2]
Figure A20041003510000092
[化学式3]
[化学式4]
Figure A20041003510000102
在使用磷光材料作为客体材料的情况下，基于芳族胺的化合物(也就是，其中具有苯环-氮键的的化合物)可以用作主体材料。作为基于芳族胺的化合物，广泛使用的材料包括：
N，N’-双(3-甲基苯基)-N，N’-二苯基-1，1’-联苯-4，4’-二胺(简称TPD，芳族二胺)，及其衍生物，例如：4，4’-双[N-(1-萘基)-N-苯基氨基]-联苯(简称α-NPD)。也使用星形芳族胺化合物，包括：4，4’，4”-三(N，N-二苯基-氨基)-三苯基胺(缩写为“TDATA”)、以及4，4’，4”-三[N-(3-甲基苯基)-N-苯基-氨基]-三苯基胺(缩写为“MTDATA”)。
实例还包括金属配合物，例如：三(8-喹啉醇合)铝(缩写为Alq3)、三(4-甲基-8-喹啉醇合)铝(缩写为Almq3)、双(10-羟基苯并[h]-喹啉醇合)铍(缩写为BeBq2)、双(2-甲基-8-喹啉醇合)-(4-羟基-联苯基)-铝(缩写为BA1q)、双[2-(2-羟苯基)-苯并噁唑醇合]锌(缩写为Zn(BOX)2)、和双[2-(2-羟苯基)-苯并噻唑醇合]锌(缩写为Zn(BTZ)2)。除了上述金属配合物外，其他适合于主体材料的材料包括：噁二唑衍生物，如2-(4-联苯基)-5-(4-叔丁基苯基)-1，3，4-噁二唑(缩写成PBD)、以及1，3-双[5-(对叔丁基苯基)-1，3，4-噁二唑-2-基]苯(缩写成OXD-7)；三唑衍生物，如3-(4-叔丁基苯基)-4-苯基-5-(4-联苯基)-1，2，4-三唑(缩写成TAZ)、以及3-(4-叔丁基苯基)-4-(4-乙基苯基)-5-(4-联苯基)-1，2，4-三唑(缩写成p-EtTAZ)；咪唑衍生物，如2，2’，2”-(1，3，5-benzenetrile)三(1-苯基-1H-苯并咪唑)(缩写成TPBI)；以及菲咯啉衍生物，如红菲绕啉(缩写成BPhen)和浴铜灵(缩写成BCP)。
另外，双极性材料如4，4’-N，N’-二咔唑-联苯(缩写为CBP)也可以用作主体材料。
CBP用作主体材料，在上述化学式1中解释的Pt(tpy)acac用作客体材料，并且以15wt％的浓度加入，以便通过共蒸镀形成厚度为20nm的激光介质。在这种情况下，激光介质产生三个分量：由Pt(tpy)acac产生的绿色(波长约490nm)、由Pt(tpy)acac产生的另一种绿色(波长约530nm)和由受激准分子发射产生的橙色(波长约570nm)。在实施方式1中，通过使用光谐振器102放大受激准分子发射(波长约570nm)，可以获得激光束。
其中封装了Xe、Kr或Ar的闪光灯、超高压汞蒸汽灯、氮气激光器、GaAsxP(1-x)半导体激光器等可以用作激发光源103。
在图2A中，光谐振器102包括反射材料102a和102b，用于反射光。反射材料102a和102b的布置使得在激光介质101中产生的光在光谐振器102内的反射材料102a和102b之间来回传播。当在光谐振器102中提供的反射材料102a和102b之一比另一种具有更高的反射率时，从具有低反射率的材料(即这里的反射材料102b)可以获得激光束。
附图标记104表示用于闭锁模式的针孔。应当注意，不一定总是提供针孔104。对于闭锁模式，可以提供其它调制元件代替针孔。
可以使用镜子作为反射材料102a和102b。但是，反射材料不限于此并且可以使用其它材料作为反射材料，只要所述材料具有其中使光封闭在光谐振器中的结构，以便通过振荡激光介质101中产生的光而获得激光束。可以通过利用比激光介质折射率低的材料将光封闭在光谐振器中来形成光谐振器102。例如，二氧化硅薄膜、金属等可以用于所述材料。
激发光源103对应于泵浦源，用于向激光介质101提供泵浦能。在实施方式1中，激光介质101中所含磷光材料的分子被激发到三重态，受激分子和处于基态的相邻分子相互结合，从而产生受激准分子。由受激准分子自发发射的受激准分子发射产生包容发射，只有在光谐振器102的反射材料102a和102b之间的轴向上发射的光被选择性放大，因此从反射材料102b中振荡了激光束。
除了受激准分子发射外，由含有磷光材料的激光介质101还可以获得磷光。当激光束由受激准分子产生时，布置反射材料102a和102b，使得光谐振器的长度L变成受激准分子发射的波长λ的一半的整数倍。类似地，当使用由激光介质101获得的磷光产生激光束时，布置反射材料102a和102b使得光谐振器的长度L变成磷光的波长λ的一半的整数倍。
产生电致发光的电致发光材料通常往往被水分、氧气等降低性能。所以，根据实施方式1，激光介质101在光谐振器102内被布置在密封的条件下。图2B表示在如图2A所示的密封条件下的激光介质101的放大视图。
在图2B中，激光介质101用基底105和多个绝缘薄膜106-108密封。更具体地，与基底上形成的绝缘薄膜106接触形成激光介质101。绝缘薄膜107和108随后形成在绝缘薄膜106上以覆盖激光介质101。绝缘薄膜106-108由具有防止水分和氧气侵入激光介质并且可以透过激光介质中产生的光的优异效果的绝缘薄膜形成。例如，对于所述绝缘薄膜，希望的是使用由氮氧化硅或氮化硅代表的含氮绝缘薄膜。密封激光介质101的绝缘薄膜的数量不限于此。此外，用于绝缘薄膜的材料不限于无机材料，并且由有机材料形成的绝缘薄膜或由有机绝缘薄膜与无机绝缘薄膜形成的叠层也可以使用。
图2B仅表示了密封激光介质101的一种实施方式，本发明不限于此。图2C表示来自图2B的用不同方式密封激光介质101的状态。
在图2C中，与基底110上所形成的绝缘薄膜111接触形成激光介质101。绝缘薄膜112进一步形成在绝缘薄膜111上，以便覆盖激光介质101。激光介质101被绝缘薄膜112上形成的密封材料114包围，并且激光介质和填充物115被封装在基底110和覆盖材料113之间。作为填充物115，可以使用添加吸湿性物质如氧化钡的树脂。关于用于填充物的树脂，可以使用可紫外光固化的树脂或可热固化的树脂。更具体地，可以使用PVC(聚氯乙烯)、丙烯酸类、聚酰亚胺、环氧树脂、硅氧烷树脂、PVB(聚乙烯基缩丁醛)或EVA(乙烯乙酸乙烯酯)。除了上述材料以外，诸如氮气和氩气的惰性气体可以用作填充物115。
如图2A所示的激光振荡器的构造只是根据本发明的激光振荡器的一种实施方式。此外，用于根据本发明的激光振荡器的激发方法不限于实施方式1中所提及的光激发，还可以使用其它激发方法。
使用铂作为其中心金属的有机金属配合物的受激二聚物的激发寿命与三重激态的激发寿命相同，并且比单重激态的激发寿命长。结果，与单重激态的情况相比，用较小的泵浦能就可以形成粒子数反转的条件。此外，由于用泵浦能激发一个分子可以导致两个分子处于激发态，所以，用较少的泵浦能就可以产生粒子数反转。因此，可以减小振荡激光束所需的能量消耗。此外，由受激准分子发射获得的激光束存在于比红外光范围更短振荡波长的可见光范围内，这导致优异的定向特征和更小的衍射极限。
在实施方式1中，由包含激发获得的光在与由激光介质构成的薄膜相交的一个方向上放大，即在薄膜厚度方向上放大。但是本发明不限于此。放大由包含激发所获得的光的方向可以存在于由激光介质性能的薄膜内部。
[实施方式2]
在实施方式2中将描述根据本发明使用注入载流子的方法的激光振荡器的结构。
为了向激光介质中注入载流子，将激光介质用作发光层，以便形成包含阳极和阴极的发光元件，阳极和阴极之间夹入所述发光层。通过向发光元件中提供激发电流来激发激光介质中的磷光材料，并且在光谐振器中使所发出的光谐振，从而获得激光束。
图3A表示在实施方式2中所用的发光元件的元件结构。如图3A所示的发光元件包含其中在阳极301和阴极307之间插入电致发光层308的结构。通过从阳极301一侧依次层叠空穴注入层302、空穴传输层303、发光层304、电子传输层305和电子注入层306，组成电致发光层308。将诸如上述铂配合物(上述化学式1-4)的磷光材料以较高浓度(具体地，最高为10wt％)扩散到发光层304的主体材料中，因此磷光和受激准分子发射都可以发射。
应当注意，根据本发明用于激光谐振器的发光元件可以在电致发光层中至少含有上述发光层。具有除了发光以外的其它功能的层(例如空穴注入层、空穴传输层、电子传输层和电子注入层)可以与发光层任意组合。可以用于上述层的材料在下文中将分别详细描述。但是，可以应用于本发明的材料不限于这些。
如果空穴注入层是有机化合物，则卟啉作为形成空穴注入层302的空穴注入材料是有效的，可使用酞菁(缩写为H2-Pc)、酞菁铜(缩写为Cu-Pc)等。还可以使用经过化学掺杂处理的导电高分子化合物材料。此外，掺杂了聚苯乙烯砜(缩写为PSS)的聚亚乙基二氧基噻吩(简称PEDOT)、聚苯胺(缩写为PAni)、聚乙烯基咔唑(缩写为PVK)等等，可作为例子给出。另外，诸如五氧化二钒的无机半导体的薄膜、或诸如氧化铝的无机绝缘体的超薄膜对于空穴注入层302也是有效的。
作为用于形成空穴传输层303的空穴传输材料，基于芳族胺的化合物(即具有苯环-氮键的化合物)是优选的。基于芳族胺的化合物包括例如TPD及其衍生物如α-NPD。还可以使用星型芳族胺化合物，如TEATA和MEDATA。此外，也可以使用4，4’，4”-三(N-咔唑)三苯基胺(缩写为TCTA)。优选的是使与发光层304接触的空穴传输层的电离电位大于主体材料或发光层的电离电位，以便有效产生受激准分子。或者优选的是即使主体材料或发光层的电离电位大于空穴传输层的电离电位，但是抑制这些电离电位之间的差值小于0.4eV。当在化学式1中解释的有机金属配合物用于发光层304作为磷光材料时，通过对空穴传输层303使用TCTA，磷光材料的电离电位可以设定在与空穴传输层303相同的水平上，因此可以高效地形成受激准分子。
用于形成电子传输层305的电子输运材料的实例包括金属配合物如Alq3、Almq3、BeBq2、Balq、Zn(BOX)2)、和Zn(BTZ)2。除了金属配合物外，适合于电子传输层的其它材料包括：噁二唑衍生物，如PBD、和OXD-7；三唑衍生物，如TAZ、和p-EtTAZ；咪唑衍生物，如TPBI；以及菲咯啉衍生物，如BPhen和BCP。
上述电子传输材料可以用于电子注入材料，用来形成电子注入层306。此外，常常使用由碱金属卤化物如LiF和CsF、碱土金属卤化物如CaF2，和碱金属氧化物如Li2O形成的绝缘体的超薄膜作为电子注入层。另外，碱金属配合物如乙酰乙酸锂(缩写为Li(acac))和8-羟基喹啉醇合-锂(缩写为Liq)也是有效的。
作为用于发光层304的主体材料，可以使用由以上实例代表的空穴传输材料或电子传输材料。此外，双极性材料如4，4’-二咔唑-联苯(缩写为CBP)是可用的。
作为用于形成阳极301的材料，优选的是功函数大的导电性材料。当从阳极301一侧发射光子时，则该阳极优选用诸如铟锡氧化物(ITO)、铟锌氧化物(IZO)的透明导电性材料形成。同时，当使阳极301一侧是遮光性的似的不从阳极301一侧发射光子时，则阳极可以是由TiN、ZrN、Ti、W、Ni、Pt、Cr等的单层，或由含有氮化钛和以铝为主要成分的膜构成的叠层、或由氮化钛薄膜、以铝为主要成分的薄膜以及另一个氮化钛薄膜构成的叠层。阳极还可以通过在诸如Ti和Al的反射性电极上层叠上述透明导电性材料形成。
作为用于形成阴极307的材料，功函数小的导电性材料是优选的。用于形成阴极的材料的具体实例包括：诸如Li和Cs的碱金属；诸如Mg、Ca、Sr的碱土金属；以及包含这些金属元素的合金(Mg∶Ag、Al∶Li、Li∶Ag等)。此外，阴极可以用诸如Yb和Er的稀土金属来形成。在使用由LiF、CsF、CaF2、Li2O等形成的电子注入层时，因此通常由通常的导电性薄膜形成，如铝。当从阴极307一侧发射光子时，阴极可以通过使包含诸如Li和Cs的碱金属、包含诸如Mg、Ca、Sr的碱土金属的超薄膜和透明导电膜(由ITO、IZO、ZnO等形成)层叠来形成。或者共同蒸镀碱金属或碱性土金属和电子输运材料，以形成电子注入层306，并且可以在其上进一步层叠透明导电膜(由ITO、IZO、ZnO等形成)。
在制作以上所述的本发明的发光元件的情况下，发光元件中的各个层的层叠方法不限于本发明。并且可以使用诸如气相沉积、旋涂法、喷墨法、浸涂法的任何层叠方法。
图3B表示在图3A所示的发光元件中，阳极301用ITO形成、空穴注入层302用Cu-Pc形成、空穴传输层303用TCTA形成、发光层304的主体材料用CBP形成、发光层的客体材料用上述化学式所解释的Pt(tpy)acac形成、电子传输层305用BCP形成、电子注入层3-6用CaF2形成、和阴极用Al形成的情况的能带图。
在图3B中分别表示了空穴注入层302、空穴传输层303、发光层304、电子传输层305和电子注入层306的最高被占分子轨道(HOMO)能级(电离电位)和最低未占分子轨道(LUMO)能级。
关于图3A中所示的发光元件，当空穴传输层303的电离电位310高于发光层304的电离电位311，且其间的能隙大于0.4eV时，大量载流子在空穴传输层303与发光层304之间的界面附近复合，因此，从空穴传输层303发射出多余的光。为了防止这种现象，优选使空穴传输层303的电离电位低于磷光材料的电离电位，或者即使磷光材料的电离电位高于空穴传输材料的电离电位，其间的能隙优选设定为不大于0.4eV，以便在优先在发光层304中复合载流子。根据上述构造，空穴容易从空穴传输层进入发光层304，因此，载流子优先在发光层304中复合。此外，可以在空穴注入层302与空穴传输层303之间提供电离电位低于空穴传输层302的电离电位的另一个空穴传输层，以便使空穴容易从空穴注入层302进入空穴传输层303，空穴注入层302的电离电位高于空穴传输层303的电离电位。
图4A表示在使用诸如载流子进行的激发方法的情况下根据本发明的激光振荡器的结构。图4A中所示的激光振荡器包含含有磷光材料的激光介质401、光谐振器402和用于激发的能源403。关于激光介质401，把在上述化学式1-4中所述的用铂作为其中心金属的有机金属配合物分散在主体材料中，浓度大于10wt％，与实施方式1一样。当使用激光介质401时，可以发射磷光和受激准分子发射。
与实施方式1一样，光谐振器402包括反射材料402a和402b。反射材料402a和402b的布置使得在激光介质401中产生的光在光谐振器402内的反射材料402a和402b之间来回传播。当在光谐振器402中提供的反射材料402a和402b之一比另一种具有更高的反射率时，从具有低反射率的另一种材料(即这里的反射材料402b)可以获得激光束。附图标记404表示用于闭锁模式的针孔。应当注意，不一定总是提供针孔104。为了闭锁模式，可以提供其它调制元件代替针孔。
在实施方式2中，用于激发的电源相当于向激光介质401提供泵浦能量的泵浦源。通过从用于激发的电源403向激光介质提供激发电流，激光介质401中所含的磷光材料的分子被激发到三重态，所以，激发分子和与激发分子相邻的处于基态的分子结合，产生受激准分子。随后，通过由所获得的受激准分子自发发射的受激准分子发射产生包容发射，选择性仅放大在光谐振器402的反射材料402a和402b之间的轴向上发射的光，然后通过反射材料402b振荡激光束。
图4B表示激光介质和图4A中所示的使用激光介质401作为发光层的发光元件的放大图。如图4B所示，在使用通过注入载流子进行的激发方法的情况下，发光元件形成如下：使用激光介质401作为发光层；形成阳极410和阴极411以便在其间加入该发光层。在图4B中，尽管阳极410、激光介质401和阴极411依次形成在其上已经形成绝缘薄膜412的基底413上，但是阳极410和阴极411的位置可以颠倒。此外，空穴注入层、空穴传输层、电子传输层、电子注入层等可以任意插入在阳极410或阴极411与作为发光层的激光介质之间。当使用图4A中所示的光谐振器402时，阳极410和阴极411用透射激光介质401中所产生的光的电极形成。更具体地，这些电极可以用半透明材料构成。或者这些电极可以用薄膜制成(例如薄膜厚度为5-20nm)，即使其材料不具有透光性，所述薄膜也可以透射光。
通过导线414从激发电源403提供激发电流，以便在阳极410与阴极411之间的向前偏压方向上通入电流。特别是从激发电源通过连接器415如FPC将电流提供到激光介质401中，连接器415连接到导线414上。
在图4B中，与图2一样，发光元件416由阳极410、阴极411和激光介质构成。发光元件用绝缘薄膜417覆盖并密封，绝缘薄膜417由单层或多层构成，以便不暴露于水分和氧气，这抑制了电致发光材料的性能降低。发光元件可以用与图2C中相同的方式用覆盖材料密封。图4C表示其中在基底420上形成的发光元件用密封材料422包围的状态，并且发光元件421和填充物423被密封在基底420和覆盖材料424之间。
应当注意，在使用通过注入载流子进行的激发方法的情况下，阳极和阴极的任意一个可以用由光反射材料构成的电极制成，在激光介质中产生的光可以用光反射电极和反射材料进行谐振。
尽管在实施方式2中在由激光介质构成的薄膜的厚度方向上放大通过内含发射获得的光，但是本发明不限于这种实例。由包含发射获得的光的放大方向可以在由激光介质形成的薄膜内部。
在使用通过注入载流子进行的激发方法的情况下，通过控制激发电流直接调制光输出。
实施例
[实施例1]
在实施例1中，说明在通过包含发射获得的光的放大方向在由激光介质形成的薄膜内部的情况下，在两个反射材料和激光介质之间的位置关系。
图5A中表示了其中通过载流子注入激发分子的激光振荡器中的激光介质和光振荡器之间的位置关系。附图标记501表示在其上依次层叠阳极502、包含对应于激光介质的发光层的电致发光层503、绝缘薄膜504和阴极505的基底，该基地用于保持激光介质。绝缘薄膜504包含槽形开口。在该开口中，电致发光层503接触到阴极505。所以，在电致发光层503中，在所述开口中与阴极505重叠的区域中注入载流子，然后由于包含发射产生的光在该重叠区域中发射。
在光谐振器507中包含的反射材料506a和506b之间夹入电致发光层503，另外形成反射薄膜以便分别与电致发光层503形成的表面相交。用反射材料506a和506b使电致发光层503发射的光谐振，因此，可以获得在与反射材料506a和506b之间的轴相同方向上振荡的激光束。
尽管使用通过注入载流子进行的激发方法的情况表示在图5A中，但是本发明不限于这种方法。在使用光激发方法的情况下，例如，包含激光介质的层插在光谐振器中包含的两种反射材料之间，并且布置由含有激光介质的层形成的表面和所述两种反射材料以便相互分别相交，与通过注入载流子进行的方法一样。应当注意，不必提供阳极和阴极。根据上述结构，由含有激光介质的层发射的光用两种反射材料进行谐振，所以可以获得在两种反射材料之间的轴向上振荡的激光束。
图5B表示其中通过载流子注入激发分子的激光振荡器的激光介质与光谐振器之间的另一种位置关系，尽管该结构与图5A所示的不同。附图标记511表示其上形成阳极512的用于保持激光介质的基底。包含槽形开口的绝缘薄膜514和在该开口中形成的电致发光层513形成在阳极512上。此外，阴极515形成在绝缘薄膜514和电致发光层513上。根据上述结构，阳极512、电致发光层513和阴极515依次重叠并相互接触在这些层与开口部分重叠的区域内。因此，由于包含发射而发射光。
在光谐振器507中，反射材料516a和516b之间夹入电致发光层513，并且其形成使得与电致发光层513形成的表面相交。随后，用反射材料516a和516b使电致发光层513发射的光进行谐振，因此，激光束在与反射材料516a和516b之间的轴相同的方向上振荡。
为了有效地封闭由电致发光层513发射的光，在图5B中使用绝缘薄膜514形成了光波导。具体地，光波导用比电致发光层513的折射率低的材料形成，例如二氧化硅。根据上述结构，可以有效振荡半导体激光。
尽管在图5B中描述了使用通过注入载流子进行的激发方法的情况，但是激发方法不限于此。与注入载流子的方法一样，在使用光激发方法的情况下，例如，两种反射材料布置如下：包含激光介质的层插在两种反射材料之间；并且两种反射材料与由含有激光介质的层形成的表面相交。根据上述结构，由含有激光介质的层发射的光用两种反射材料进行谐振，所以激光束在与两种反射材料之间的轴相同的方向上振荡。
[实施例2]
在实施方案2中，将描述制造如图3A所示的发光元件的方法。在这种情况下，阳极301用ITO制成；空穴注入层302用Cu-Pc制成；空穴传输层303用TCTA制成；发光层304的主体材料用CBP制成，发光层304的客体材料用Pt(tpy)acac制成；电子传输层305用BCP制成；电子注入层306用CaF2制成；阴极用Al形成。
为发光元件工作的阳极301形成在包括绝缘表面的玻璃基底上。阳极由ITO制成，其实透明的导电薄膜，并且通过溅射形成110nm的厚度。随后，在阳极301上形成电致发光层308。通过层叠空穴注入层302、空穴传输层303、发光层304、电子传输层305和电子注入层306形成电致发光层308。发光层由主体材料和产生磷光的客体材料构成。
首先，将其上形成了阳极301的基底固定在真空沉积装置中的基底夹具上，同时保持形成阳极301的表面一侧向下。在真空沉积中装置中装备的蒸发源中填充Cu-Pc，以便通过使用电阻加热的气相沉积形成厚度20nm的空穴注入层302。随后，用空穴传输性能和发光性能优异的材料形成空穴传输层303。在本实施例中，通过与空穴注入层相同的方法用α-NPD制成，厚度为30nm。进一步通过共蒸镀形成厚度为20nm的发光层304。发光层304的主体材料用CBP形成，发光层的客体材料用在上述化学式1所述的Pt(tpy)acac制成，其浓度调节到15wt％。在发光层304上形成电子传输层305。用BCP(bathocuproin)通过气相沉积形成厚度20nm的电子传输层305。形成厚度为2nm的CaF2作为电子注入层306，因此形成包含上述层叠结构的电致发光层308。
最后形成阴极307。在实施例2中，阴极使用电阻加热通过气相沉积用铝(Al)形成，厚度为20nm。由于阴极307是具有上述厚度的薄膜，所以在发光层304中产生的光可以从阴极307一侧发射。如果激光束的振荡方向存在于由发光层304构成的表面内，阴极307可能不总是具有光通过阴极透射的结构。而且当阴极307用作光谐振器的反射材料时，阴极307必须具有可以透射光的结构，即使激光束在与发光层304的厚度方向相同的方向上发射。
如上所述，可以制造根据本发明的发光元件。关于在实施例1中所述的结构，由于分别在空穴传输层303和发光层304中产生发光，所以可以产生总体上发射白光的元件。另一方面，在实施例2中描述了在基底上形成阳极的结构。但是，本发明不限于这种结构，阴极可以形成在基底上。应当注意，在这种情况下(阳极和阴极的位置相互颠倒的情况下)，电致发光层的层叠顺序也应当颠倒。
[实施方案3]
在实施方案3中，将描述其中激光介质中所含磷光材料在恒定方向上对齐的实例。
当通过注入载流子进行激发时，随着含激光介质的发光层的薄膜厚度减小，用更低的电流可以高效产生发光。但是，在激光介质中所含的磷光材料在结晶状态时比在无定形状态时在能量方面更稳定，并且往往处于微晶状态，其中许多晶粒聚集。所以，当发光层的薄膜厚度减小时，容易发生由于静电击穿或晶界而产生漏电流的问题。因此，为了克服这一问题，在用于磷光材料的许多有机金属配合物中含有的铂在主体材料的某一方向上对齐。
如图6A所示，其中掺杂用于磷光材料的多种有机金属配合物602的主体材料601的激光介质603，形成在向激光介质603中提供电流的阳极605和阴极606之间。该多种有机金属配合物602在主体材料601中对齐，使得铂的位置在阳极605与阴极606之间的纵向排列。在与阳极605和阴极606之间的该方向垂直的方向上，多种有机金属配合物602的排列相互被其间存在的主体材料分散开。
根据上述构造，当发光层的厚度减小到若干微米数量级并且磷光材料在结晶态比无定形态在能量上更稳定时，可以抑制由于静电击穿或晶界产生的漏电流，从而防止发光元件性能降低。
激光介质603插在两种反射材料604a和604b之间，在激光介质603中产生的光被所述反射材料振荡，因此，激光束在反射材料604a和604b之间的轴向上振荡。在图6A中，许多有机金属配合物602的对齐方向与激光束的振荡方向相交。但是，其方向可以相互一致，如图6B所示。
假定除了中心位于有机金属配合物的在所有方向上均匀发射光以外，存在其中由用作磷光材料的有机金属配合物发出的光在某一方向上特别强烈地发射的情况。在这种情况下，通过使强光方向与两种反射材料604a和604b之间的轴向配合，可以增强光子输出的转换效率并且抑制泵浦能。
在图6A和6B中，分别表示了其中发光层插在阳极和阴极之间的简单结构。但是空穴注入层、空穴传输层、电子传输层、电子注入层等可以插在发光层和阳极或阴极之间。

Claims (17)

1.一种激光振荡器，其包含：
激光介质，其中磷光材料以不小于10wt％的浓度分散在主体材料中；和
光谐振器，用于放大来自磷光材料的受激准分子状态的发光。
2.一种激光振荡器，其包含：
在基底上形成的包含激光介质的薄膜；和
光谐振器，
其中激光介质包括主体材料和以不小于10wt％的浓度分散在主体材料中的磷光材料，且
其中在来自磷光材料的受激准分子的发光中，横过含激光介质的薄膜的单方向光被光谐振器放大。
3.一种激光振荡器，其包含：
在基底上形成的含有激光介质的薄膜；和
光谐振器，
其中激光介质包括主体材料和以不小于10wt％的浓度分散在主体材料中的磷光材料，并且
其中在来自磷光材料的受激准分子状态的发光中，在含有激光介质的薄膜构成的表面内含有的单方向光被光谐振器放大。
4.根据权利要求2的激光振荡器，其中该激光振荡器包含激发光源，且磷光材料被激发光源发射的激发光激发到受激准分子状态。
5.根据权利要求3的激光振荡器，其中该激光振荡器包含激发光源，且磷光材料被激发光源发射的激发光激发到受激准分子状态。
6.一种激光振荡器，其包含：
在基底上形成的发光元件；和
光谐振器，
其中该发光元件包括发光层、阳极和阴极，发光层插在阳极和阴极之间，
其中发光层包括主体材料和以不小于10wt％的浓度分散在主体材料中的磷光材料，
其中阳极和阴极包括透光性能，和
其中在来自磷光材料的受激准分子状态的发光中，横过发光层的单一方向光被光谐振器放大。
7.一种激光振荡器，其包含：
在基底上形成的发光元件；和
光谐振器，
其中发光元件包括发光层、阳极和阴极，发光层插在阳极和阴极之间，
其中发光层包括主体材料和以不小于10wt％的浓度分散在主体材料中的磷光材料，和
其中在来自磷光材料的受激准分子状态的发光中，在发光层构成的表面内包含的单方向光被光谐振器放大。
8.一种激光振荡器，其包含：
在基底上形成的发光元件；和
多种反射材料，
其中发光元件包括发光层、阳极和阴极，发光层插在阳极和阴极之间，
其中发光层包括主体材料和以不小于10wt％的浓度分散在主体材料中的磷光材料，
其中阳极包括透光性能，
其中发光层插在阴极与多种反射材料之间，和
其中在来自磷光材料的受激准分子状态的发光中，横过发光层的单方向光被阴极和多种反射材料放大。
9.根据权利要求6的激光振荡器，其中与发光层接触的空穴传输层形成在阳极和发光层之间，该空穴传输层的电离电位低于发光层或主体层的电离电位，或者空穴传输层的电离电位以不大于0.4eV的能带隙高于发光层或主体材料的电离电位。
10.根据权利要求7的激光振荡器，其中与发光层接触的空穴传输层形成在阳极和发光层之间，该空穴传输层的电离电位低于发光层或主体层的电离电位，或者空穴传输层的电离电位以不大于0.4eV的能带隙高于发光层或主体材料的电离电位。
11.根据权利要求8的激光振荡器，其中与发光层接触的空穴传输层形成在阳极和发光层之间，该空穴传输层的电离电位低于发光层或主体层的电离电位，或者空穴传输层的电离电位以不大于0.4eV的能带隙高于发光层或主体材料的电离电位。
12.根据权利要求1的激光振荡器，其中磷光材料产生的发光在不小于500nm和不大于700nm的波长范围内有两个或多个峰，两个或多个峰的任一个是受激准分子发射。
13.根据权利要求2的激光振荡器，其中磷光材料产生的发光在不小于500nm和不大于700nm的波长范围内有两个或多个峰值，两个或多个峰的任一个是受激准分子发射。
14.根据权利要求3的激光振荡器，其中磷光材料产生的发光在不小于500nm和不大于700nm的波长范围内有两个或多个峰，两个或多个峰的任一个是受激准分子发射。
15.根据权利要求6的激光振荡器，其中磷光材料产生的发光在不小于500nm和不大于700nm的波长范围内有两个或多个峰，两个或多个峰的任一个是受激准分子发射。
16.根据权利要求7的激光振荡器，其中磷光材料产生的发光在不小于500nm和不大于700nm的波长范围内有两个或多个峰，两个或多个峰的任一个是受激准分子发射。
17.根据权利要求8的激光振荡器，其中磷光材料产生的发光在不小于500nm和不大于700nm的波长范围内有两个或多个峰，两个或多个峰的任一个是受激准分子发射。
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