CN1574519A - 驱动垂直激光腔的非相干光发射器件装置 - Google Patents

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Abstract

一种激光发射装置包括在一侧上装有具有发光层非相干光发射器件的衬底，其中在该发光层间施加一电场，以产生由该非相干光发射器件通过光透明层透射的光，进入配置来接收该非相干光发射器件所透射之光的垂直激光腔结构并产生激光。

Description

驱动垂直激光腔的非相干光发射器件装置
本发明涉及发光器件领域，尤其涉及基于有机物的固态激光器。
在过去的若干年中，制作基于有机物的固态激光器的兴趣一直在增加。此产生激光材料或为聚合物或为小分子，并使用一些不同的谐振腔结构，诸如微空腔谐振器(Kozlov等人，US-A-6,160,828)、波导、环形微激光器和分布式反馈(也见例如G.Kranzelbinder等人，Pep.Prog.Phys.63.729(2000)和M.Diaz-Garcia等人，US-A-5,881,083)。所有这些结构的一个问题是，为实现产生激光，需要通过使用另一激光源之光泵激来激发其空腔。电泵激激光腔却优越得多，因为这一般形成更紧凑且更易于调制的结构。
实现电泵激有机激光器的主要障碍是有机材料小的载流子迁移率，它一般约为10-5cm2/(v-s)。这种低载流子迁移率引起一些问题。低载流子迁移率器件一般限于使用薄层，以避免大的电压降和欧姆发热。这些薄层导致贯穿入有损耗阴极和阳极的产生激光方式，它引起产生激光阈值的大的增加(V.G.Kozlov等人，J.Appl.Phys.84，4096(1998))。由于电子-空穴在有机材料中的复合受兰格文复合(其速率量度为载流子迁移率)支配，所以低载流子迁移率导致载流子数量级大于单激子；这种后果之一是电荷感应(极化子)吸收能成为值得注意的损耗机制(N.Tessler等人，Appl.Phys Lett 74，2764(1999))。假设激光器件有5％内量子效率，使用迄今报导的最低产生激光阈值～100W/cm2(M.Berggren等人，Nature 389.466(1997))，并且忽略上面提到的损耗机制，那么将会对为1000A/cm2的电泵激产生激光阈施加较少的限制。包括这些损耗机制会使此产生激光阈处于远高于1000A/cm2，它是适今报导的有机器件所能支持的最高电流密度(N.Tessler，Adv.Moter.10，64(1998))。
避免这些困难的一种方法是使用结晶有机材料来代替不定形有机材料作为产生激光介质。基于有机物之激光器的一个好处是，由于该材料一般为无定形的，所以此器件可以廉价地制成，并且它们可以在任何类型的衬底上生长。单晶有机激光器法均无这两个优点。
另外一些人已建议用发光二极管(LED)来泵激有机激光腔，用无机二极管(M.D.McGehee等人，Appl.Phys.Leff.72，1536(1998))或用有机二极管(Berggren等人，US-A-5,881,089)。McGehee等人(M.D.McGehee等人，Appl.Phys.Lett.72，1536(1998))指出，尝试使用InGaN LED的激光泵激它们需要降低其阈值至少一个数量级。Berggen等人提出制做全有机的单一激光器，这里该器件一部分(有机LED部分)提供非相干辐射，而邻近部分(激光腔)则提供光下转换、增益和光反馈。Berggren等人指出，此产生激光腔应或为有刻面的波导、分布式反馈波导腔、分布式布拉格反射波导腔，或为光子点阵腔。Berggren等人只给出该器件有机发光二极管(OLED)部分的数据(其电流-电压和电压-亮度特性)。关于该器件的产生激光特性，他们的唯一说明是它在～620mm产生相干辐射。由于Berggren等人从未给出任何关于该器件的产生激光过程的另外细节，所以确定该器件是否通过来自器件OLED部分之激发而产生激光是困难的。因此，就我们所知，还没有任何成文的以非相干光源激发激光腔的案例。
本发明的目的是提供一种改进的配置，为了使用非相干光发射器件所产生的光作为垂直激光腔结构的输入来产生激光，其中，该垂直激光腔结构同该非相干光发射器件同处于衬底的一侧。
这一目的通过一激光发射装置来实现，该装置包括：
(a)光透明层；
(b)非相干光发射器件，包括：
(i)位于该光透明层一侧的第一透明电极；
(ii)邻近该第一电极的光发射层，以通过第一透明电极和光透明层由非相干光发射器件透射而产生泵激光束；
(iii)邻近该光发射层的第二电极；
(c)垂直激光腔结构，位于该光透明层的另一侧，并配备来接收非相干光发射器件通过光透明层透射的泵激光束，这样的结构包括：
(i)接收来自非相干光发射器件之光，并且主要为在预定波长范围内透射或反射的第一工具；
(ii)接收来自非相干光发射器件和来自第一接收工具之光并且产生激光的有机活性层；以及
(iii)使来自有机活性层之光发射回该有机活性层的第二工具，其中此两个工具的结合便透射激光；以及
(d)位于邻近第二电极或第二工具的衬底。
已发现垂直激光腔特别适合于接收来自非相干光发射器件的非相干光，并且当在衬底的一侧上和非相干光发射极结合便使得能在该衬底的另一侧上集成其它的系统元件。使用装有多层高反射率介质镜作为顶和底反射器的垂直激光腔以及具有由小分子量有机材料构成的活性部件，是本发明的又一个优点。因此该激光腔有很低的阈值。这是因为：1)小的活性体积；2)使用损耗很低、反射率高的介质镜；3)产生激光介质由小分子量有机材料构成，可以很均匀地将它淀积在底介质叠层上；以及4)产生激光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有机材料(发射激光)构成，这导致高的量子效率和低的散射/吸收损耗。还十分意外地发现，通过较大地增加泵激光束的截面积和脉冲宽度(约为微秒)阈功率密度便成数量级的下降。此垂直激光腔非常低之阈值的结果是，为了引起该腔产生激光无需使用高功率密度器件(聚焦的激光)。从而，低功率密度器件，如未聚焦的OLED辐射，是用来泵激该激光腔的足够的光源。使基于有机物的激光腔和OLED泵激源在单块衬底的一侧上结合便产生廉价和通用的激光源，其光输出可在大的波长范围内加以调整。
图1为现有技术有机固态激光器件的示意截面图；
图2为按照本发明制作有机固态激光装置之一种实施方案的示意截面图，该装置由两部分构成：一部分是发射非相干辐射的电驱动OLED器件；而第二部分则是低阈值垂直激光腔，它吸收OLED辐射并在较长的波长发射激光；
图3为本发明另一实施方案的示意截面图；
图4为实施例1所讨论之垂直激光腔说明性实施方案的输出功率与输入激发功率关系的log-log曲线；
图5为由实施例1垂直激光腔发出的产生激光跃迁的高分辨频谱；
图6为实施例2所讨论之垂直激光腔两个说明性实施方案的输出功率与输入激发功率关系的log-log曲线，腔A和C的活性层厚度分别为195和780nm；
图7为由实施例2中所讨论(垂直激光)腔A结构发射之输出强度的频谱。该光在正视方向加以收集；
图8为实施例2中所讨论(垂直激光)腔B(390nm活性层厚度)结构的输出功率与输入激发功率关系的log-log曲线；
图9为实施例3中所讨论的OLED器件之相对输出强度的频谱。该OLED在20mA/cm2被驱动，并且其辐射在正视方向上加以收集；
图10为由实施例3 OLED泵激垂直激光腔(腔A)所发射之产生激光跃迁的高分辩频谱；
图11为实施例3电驱动有机固态激光器件之输出功率与驱动电流关系的log-log曲线，这里垂直激光腔结构是腔B，而OLED则使用宽度为2μs和8μs的脉冲来驱动；
图12为图2实施方案有机固态激光装置的示意截面图；以及
图13为图3实施方案有机固态激光装置的示意截面图。
为了更充分地理解两部分电驱动有机固态激光装置的构造和性能，将对图1的现有技术有机激光腔器件100加以描述。
按图1所示的现有技术，有机激光腔器件100具有透明衬镀105，在它上面形成镜层110。透明衬底105可为玻璃或石英，而镜层110为分布式布拉格反射器(DBR)介质镜叠层。DBR镜由λ/4厚的介质层构成，这里λ代表DBR镜反射停止波段的中心波长，而叠层选择高和低折射率的层。DBR镜的反射率一般超过99％。用于形成DBR镜的典型介质材料是SiO2，作为低指数材料，以及TiO2或Ta2O5，作为高指数材料。在镜层110上面形成有机活性层115。此有机活性层115可由小分子量有机材料或共轭聚合物有机材料构成。一般用高真空热蒸发使小分子量有机材料淀积，而共轭聚合物通常则通过离心浇铸来成形。在有机活性层115上借助的热蒸发淀积金属层120。有代表性的金属是银或铝，它们有超过90％的反射率。为使器件100产生激光，用入射光束125对有机活性层115进行光学泵激。由于要求入射光束125向活性层115提供高密度光能，所以一般和适当的透镜结合使用激光器作为入射光源。有机活性层115吸收入射泵激束，然后以较长波长的光发射一部该能量。某些长波长作为不需要的自然辐射发射，而另一部分则作为受激辐射130发射，它取垂直于该层平面的方向并通过底镜层110和透明衬底105退出该器件。
有机激光腔器件100的高产生激光阈值是若干因素的结果。使用金属层作为反射器之一导致在该激光腔内每一往返行程中均有10％的激光损失。此外，在～150nm的活性层内有金属可导致活性材料的荧光显著的猝灭(K.B.Kahen，Appl.Phys.Leff.78，1649(2001))。一般还使用共轭聚合物作为该活性材料。由于通过离心浇铸使这些材料淀积，所以难于在活性层表面上述到好的厚度均一性。这些厚度不均一性会引起作为该器件上之水平位置函数的往返行程节拍的差异。因此，会导致较高阈值的破坏性干扰便能发生。共轭聚合物活性层(它们不使用基质掺杂物结合)的另一个问题是，在产生激光的波长活性材料仍有显著的吸收。
图2为本发明一实施方案之有机固态激光器装置200的示意截面。它由两个部分构成。第一部分201是垂直激光腔，它同现有技术的差别在于光透明层205位于有机发光二极管(OLED)231非相干光源和垂直激光腔201之间，并且反射器210和220均为DBR镜以及活性层215由使用基质-掺杂物材料体系的有机物形成。在此优选的实施方案中，光透明层205为与OLED非相干光源兼容的光透明绝缘平面化层，例如二氧化硅；然而它可以是与OLED非相干光源兼容的任何光平直层，并且在它上面可生长DBR镜。使DBR镜210淀积在光透明层205上。以通过常规的溅射或电子束(e-beam)淀积来进行生长为宜，因为要紧的是得到准确的介质层厚度。底DBR镜210由交替的高和低折光率介质层构成，这样，在激光230的波长，其反射率大于99.9％，并且它透射大于90％的OLED光225。为了在产生激光的波长λ1得到高的反射比，DBR镜由λ/4厚交替的高和低折射率介质层构成；还这样淀积又一交替的高和低折光率介质层，以得到OLED光225宽的透光最大值。在DBR镜210上淀积有机活性层215，它可通过常规的高真空(10-6Torr)热蒸气淀积或通过溶液离心浇铸来形成。为了获得低的阈值，最好有机活性层215的厚度为λ/2的整倍数，这里λ是产生激光的波长。对于整倍数为1或2便得到最低的阈值。有机活性层215包括基质和掺杂物有机分子。最好比有机分子为小分子量，因为现在可以使它们更均匀地淀积。用于本发明的基质材料选自充分吸收OLED光225并能通过Forster能量转移将其激发能的大百分比转移至掺杂物材料的任何材料。本领域中的技术人员熟悉Forster能量转移概念，它涉及在基质和掺杂物分子间能量的元辐射转移。有用的红发射激光器基质-掺杂物组合的实例是作为基质的三(8-羟基喹啉)铝(Alq)和作为红发射掺杂物的4-(氰基亚甲基)-2-t-丁基-6-(1，1，7，7-四甲基久洛尼定基-9-烯炔基)-4H-吡喃(DCJTB)。在有机活性层215上淀积DBR镜220。它也借助常规的电子束淀积来淀积；但是，这一次最好在淀积过程中保持有机物的温度低于75℃。顶DBR镜220由交替的高和低折光率介质层构成，以使得在激光230的波长其反射率大于98％，并且它反射大于90％的OLED光225。因此，除了淀积λ/4厚交替的高和低折射率介质层(这里入选择接近所希望产生激光的波长)，还另外淀积交替的高和低折射率介质层，以得到OLED光225宽的反射最大值。特别是只需要反射有机活性层215基质材料所吸收的那部分OLED光225。
有机固态激光发射装置200的第二OLED 231部分，为在频谱的预定区段内产生非相干光的一个或多个电驱动有机发光二极管器件。关于OLED器件的实例，见共同授与Hung等人的US-A-6,172,459及其中引述的文献，这里引入其公开内容作为参考。
有机发光二极管231在邻近而最好在衬底235a上形成，它上面形成电极240，例如阳极。衬底235a如本领域中所述可为适合构造OLED器件的任何材料，例如玻璃或石英，而电极240则由铟锡氧化物(ITO)或高逸出功金属(像金)构成。此电极可借助蒸发(热或电子束)或溅射来淀积。在电极240上形成有机空穴传递层245，在有机空穴传送层245上形成有机发光层250，以及在有机发光层250上形成有机电子传送层255。作为这样三个层的实例，一种有用的结构包括联氨层，例如，作为有机空穴传送层245的4，4’-二[N-(1-萘基)-N-苯基氨]联苯(NPB)，作为有机发光层250的未掺杂9，10-二(2-萘基)蒽(ADN)以及作为有机电子传送层255的Alq。这些有机物一般通过高真空热蒸发制备。其优选厚度对于NPB为40-250nm，对于AND为10-50nm以及对于Alq为10-200nm。在有机电子传送层255上形成第二透明电极260(阴极)，并且由挑选的选出功小于4.0eV之材料构成。合适的透明电极260为MgAg，这里Mg-Ag的体积比为10∶1。它可用常规的热蒸气淀积形成。既然该阴极必需是透明的，以便能使OLED光225进入垂直激光腔201，所以基于金属之阴极的优选厚度不大于15nm。在该阴极上形成光透明层205并在光透明层205上形成垂直激光腔201。如在本领域中已知的，在此OLED结构中可包括另外的层，例如空穴注入和电子注入层。正如在本领域中不言自明的，可在此电极间施加电压V，以提供引起有机发光层250产生该泵激光束所需的电场，使它自该有机发光二极管器件透射。该电压V可以是连续的或可以取脉冲形式。
在一般的偏压条件下，将从透明电极260把电子(负电荷载体)注入有机电子传递层225，并从电极240把空穴(正电荷载体)注入有机空穴传送层245。使电子和空穴通过相应的有机层255和245传送并进入有机发光层250。在有机发光层250中，电子和空穴主要在靠近有机空穴传送层245和有机发光层250间之接合处复合。由此产生的复合导致由有机发光层250发光。于有机发光层250内所产生的光中，约50％直接沿着衬底235a的方向发射，而另外的50％则直接朝着透明电极260发射。透明电极260为部分透明，并且允许光通过光透明层205以光泵激垂直激光腔。电极240及/或在下面的衬底可做成反射的，以便该部分朝着衬底发射的光可由该器件反射而同样通过光透明层205。
在退出有机发光二极管231后，OLED光225便通过底DBR镜210进入垂直激光腔201。由于此底DBR镜设计的结果，大部分该光进入有机活性层215。按构造，有机活性层215吸收一部分OLED光225。其未被吸收的那部分光(因有机活性层的长度太小)，即剩余部分的OLED光225进入顶DBR镜220，从而该光大部分被背反射入有机活性层215供第二次通过。在第二次通过中，有机活性层215吸收另一部分OLED光225。经由Forster能量转移机理，使基质吸收的光能量非辐射地转移至掺杂物分子。最好掺杂物分子有高的发射量子效率，因为这导致此非辐射转移能量的大部分作为较长波长光被重新发射。例如，对于作为OLED光发射极材料的ADN，作为活性层基质的Alq以及作为活性层掺杂物的DCJTB，所发射的OLED光为蓝色，Alq主要吸收蓝光，而DCJTB则发射红光。把垂直激光腔201设计为红光的高-Q腔，尤其对于顶和底DBR镜(210和220)具有其最高反射率的波长。本领域中的技术人员熟悉此概念，即在有最高净增益的特定波长产生激光便出现。在该波长，激光230在主要通过顶DBR镜220发射之前(因为按设计底DBR镜210的镜损失比顶DBR镜220的镜损失要低得多)，在顶和底DBR镜(210和220)之间反射许多次。
在这一实施方案中，把垂直激光腔201和有机发光二极管231结合为一集成器件，在单块衬底的一侧上形成，以有机发光二极管231位于衬底235a上，而垂直激光腔201则位于有机发光二极管201上，并且用光透明层205把它隔开。
关于图3，在本发明的另一个实施方案中，衬底235b是透明的，并使之位于邻近垂直激光腔201，而最好垂直激光腔201在透明衬底235b上形成，这样光便通过透明衬底235b发射。所显示的透明电极为阳极。
在图2或图3所示的实施方案中，有机固态激光装置200分别在衬底235a或透明衬底235b上形成，那还包括给有机固态激光装置200提供运作工具和提供功率的无源或有源矩阵电路。这样的电路在本领域中是众所用知的，并在比如OLED和LCD显示器件中存在。如此，在共同的衬底235a或透明衬底235b上可形成一组独立控制的激光发射极。此外，如所周知，可通过形成有不同尺寸的激光腔以及通过改变活性层基质和掺杂物组合而使该激光器发射不同频率的光。有机发光二极管231可通过使用不同发射材料而发射不同的颜色。也可以在垂直激光腔201的一侧上作为DBR镜210的一部分形成光透明层205。
关于图12，如图2实施方案中所示之本发明有机固态激光装置200，可通过首先提供衬底235a来形成，使用集成电路行业所周知的光刻和淀积法在衬底235a上形成任何想要的电路234(包括反射电极240，比如阳极)。然后按如本领域中所知道的顶发射极构型，在电极240上形成有机材料层，来制作有机发光二极管231。在该有机材料层上形成透明电极260(比如阴极)。透明电极260可为OLED发射元件的共用电极。在透明电极260上面形成光透明层205。这一光透明层205除形在可在其上构成垂直激光腔201之元件的层外还能保护透明电极260。然后在光透明层205上面形成垂直激光腔201。用另外的层或玻璃罩将有机固态激光装置200封装(未显示)，并使用比如对OLED再生有帮助的方法将之同衬底结合。若在电路234上如本领域所知的提供另外的绝缘和平面化层(未显示)，则电极240、有机发光二极管231以及透明电极260可遍布电路234。电极240和有机发光二极管231随着需要可能有点怪异，以形成可独立控制的光发射极。
参见图13，按图3的另一实施方案，首先提供透明衬底235b，并且如上所述在透明衬底235b上形成任何想要的电路，包括透明电极260的一部分260a。(由于未通过它发光，所以这部分260a不必透明，并可以是高度传导性的)。然后在邻近透明电极260a部分的透明衬底235b上形成垂直激光腔201的元件。使光透明层205在此垂直激光腔元件上而不是在邻件的电极上形成，构成一通道。在光透明层205以及透明电极260的连接部分260a上淀积又一层透明传导材料，便完成透明电极260的制作。然后淀积包括有机发光二极管231的有机材料层，接着按底发射极构形淀积第二反射电极240。此第二电极240可为一共用电极，而为了形成可独立控制的光发射极，也许使得透明电极260和有机发光二极管231有些怪异。供透明和反射电极用材料在本领域中是众所周知的。然后，如上所述对有机固态激光装置200加以封装和密封。
给出下列实施例是为着进一步理解本发明，而不要把它认作对本发明的限制。
实施例1
为了测定图2和图3所述有机固态激光器件一般产生激光的特性，在预清洁的4英寸Si衬底上形成一垂直激光腔结构。用常规的e-束淀积在此衬底上淀积底DBR镜，它由交替的分别为Ta2O5和SiO2之高和低折射率层构成。由此所得到的镜，在600和720nm之间的反射停止波段，有大于99％的反射率，这里在660nm的中心波长其反射率大于99.999％。借助高真空热蒸发在该底DBR镜顶端淀积由200nm掺杂有1％ DCJTB之Alq构成的活性层。最后，通过低温e-束淀积来这样淀积顶DBR镜，使得所测量的Si衬底温度保持低于72℃。它由交替的分别为TiO2和SiO2之高和低折射率层构成。由此所得到的镜，在665和775nm之间的反射停止波段，有大于99％的反射率，这里在720nm中心波长其反射率大于99.9％。该活性层厚度这样选择，以使该垂直激光腔结构会有约690nm的产生激光波长λ1。更具体地，选择活性层厚度为λ1/2n(＝1.691)是此活性材料在690nm的测量折射率。
使用蓝GaN激光二极管(λ＝419nm)对垂直激光腔结构进行光泵激。该二极管通过8V有4KH2重复率的函数发生器来驱动，以产生50ns的脉冲。曾测得该二极管在8V输出～30mWcw。使用6nm透镜，通常便使此泵激束在垂直激光腔结构表面上，聚焦成测量大小为62μm的光斑。通过使用校准的中间密度滤色镜来改变脉冲的能量。用双单色仪(Spex)使该腔法线方向之发射频谱(有约16°全角接收锥)作频率分散，并用冷却的光电倍增管(Hamamafsn)来检测。
图4给出在684nm之激光跃迁和在626nm之自然发射峰的输出功率与输入激发功率关系的log-log曲线。在626nm的自然发射峰是由于顶DBR镜在超出反射停止波段(665-775nm)的反射率急剧下降；因此，在626nm所测量的该顶叠层反射率约为3％。正如从该图可见，对于低激发能，只产生激光跃迁在其功率曲线中显示一转折点，而在高功率密度由于猝灭现象两种跃迁均平滑。甚至更值得注意的是，该阈泵激功率密度约在0.06W/cm2(或3nJ/cm2)，它为小于迄今文献中所报导之最低阈值的数量级(M.Berggren等人，Nature 389，466(1997)以及T.Granlund等人，Chem.Phys.Lett.288，879(1998))。最后，该图表明产生激光跃迁的斜率大于自然发射特征的斜率(0.91比0.75)。对于产生激光跃迁，除了功率曲线中的转折点和较大斜率外，图5给出另一产生激光的证据，它给出约在684nm处产生激光峰的高分辨频谱。由于该峰的半宽度是0.4nm，它在单色仪的分辨范围内，所以此产生激光跃迁至少这样窄。另一方面，在626nm测量的自然发射峰的半宽度是7nm。均在输入功率为0.6W/cm2(高于产生激光阈值的数量极)时对两个峰进行测量。
这一实施例表明，通过使用我们设计的垂直激光腔结构，可得到极低的产生激光阈值。正是由于这些低阈值的结果将使我们能用非相干光源来激光这些激光腔。
实施例2
在这一实施例中将讨论与实施例1中所述那些相类似的垂直激光腔结构。构成三个腔(以Si衬底)，它们一般设计在660nm产生激光。腔A的活性层厚度为λ1/2n(＝195nm)，腔B的活性层厚度为λ1/n(＝390nm)，而腔C的活性层厚度为2λ1/2(＝780nm)。三个活性层全由掺杂有1％DCJTB的Alq构成。在所有三种情况下顶和底DBR镜相同并且构成如下。底DBR镜由交替的分别为TiO2和SiO2的高和低折射率层构成。由此所得到的镜有大于99％反射率的、介于580和750nm之间的反射停止波段，这里在中心波长665nm其反射率大于99.999％。此外，该镜有以445nm为中心的宽的反射率最大值，其峰反射率大于92％。顶DBR镜也由交替的分别为TiO2和SiO2的高和低折射率层构成。由此所得到的镜有大于99％反射率的介于625和745之间的反射停止波段，这里在中心波长685nm其反射率大于99.9％。此外，该镜有以445nm为中心的宽的透射最大值，这里平均透射率大于97％。
图6给出腔A(195nm厚活性层)和腔C(780nm厚活性层)之输出功率与输入功率关系的log-log曲线，这里激发源还是在8V以5KHz重复率运作、并产生50ns宽脉冲的GaN激光二极管。对于腔A和C，产生激光跃迁分别在671.5和681nm出现。该图表明，含有较大活性层厚度之微腔，产生激光跃迁变得更明显。这一微腔观测结果在以前就由Yokoyama等人(H.Yokoyama等人，Appl PhysLett.58，2598(1991))指出，并且是垂直激光腔正在产生激光的又一证据。该图显示此阈功率随着活性层厚度由195nm变至780nm而增加(0.07W/cm2至0.22W/cm2)，也同Yokoyama等人的结果一致。应指出，对腔C其阈功率密度在高斜率跃迁区的末端获得，可以肯定，该阈存在于跃迁区内的某处。
对腔A，图7给出输入激发功率为7W/cm2(高于产生激光阈值两个数量级)在671.5nm产生激光跃迁和约在594nm之自然发射峰的频谱。由于顶DBR镜的反射率在超出其反射停止波段(625-745nm)急剧下降，所以又出现自然发射峰。同以前一样，其半宽度为～7nm。该图表明，此腔的发射频谱完全受高增益、频谱窄的激光跃迁支配。
图8给出腔B(390nm厚活性层)在三种不同输入束激发条件下，称之腔B1、B2和B3，输出功率与输入激发功率关系的log-log曲线。腔B1-B3指三种不同激光泵激束条件：B1)10KHz重复率，10ns脉冲宽度以及62μm圆形束斑；B2)4KHz重复率，50ns脉冲宽度以及2.5mm宽方形斑；和B3)4KHz重复率，2μs脉冲宽度以及2.5mm宽方形斑。所有它们三种使用分别在8、8和7V电压下运作的GaN激光二极管来激发(7V相当于～mWcw)。全部三种腔有大约666nm的产生激光波长。该图的一般倾向是，阈功率密度均由于束斑尺寸和脉冲宽度的增加而下降(鉴定如下)。比较图8同图6的结果看出，腔B1的阈功率密度结果(0.14W/cm2)和腔A(0.07W/cm2)及腔C(0.22W/cm2)的结果一致。因此，由10ns至50ns泵激束脉冲宽度变化似乎没有影响(或者充其量也是小的影响)。比较腔B1和B2可以看出，阈值由于输入束斑面积增加2000倍的结果而下降35倍。留心在这两个条件下低于和高于阈值log-log功率曲线的斜率非常相似是重要的：对于腔B1为0.68和0.96，而对于腔B2为0.71和0.91(注意腔A相应的斜率为0.76和0.92)。接着比较腔B2和B3，可以看出脉冲宽度由50ns增加至2μs导致阈功率密度进一步下降10倍而达0.0004W/cm2。异乎寻常地，高于阈值log-log功率曲线的斜率在0.92保持大致不变，而低于阈值的斜率则显著地增加至1.24(成为产生激光跃迁区)。将这两组结果综合(比较腔B1和B3)，在光斑大小由3×10-5增加至0.063cm2以及泵激束宽度由50ns增加至2μs时便出现阈功率密度大于两个数量级的下降。最后，对于腔B3，在高于阈值输入功率密度数量极其功率转换效率(激光功率输出除以泵激束功率输入)被测定约为0.06％。从而，产生1μW红输出功率便需要1.67mW蓝输入功率。通过降低顶DBR镜的反射率并对产生激光方式提供某些水平的限制，应能相当大地提高功率转换效率值。
这一实施例很意想不到地说明，通过增加泵激束脉冲的宽度和束的尺寸，人们便能获得产生激光阈功率密度显著的下降，它将进一步使得OLED驱动(电泵激)激光腔成为可能。
实施例3
这是图2之实施方案的实施例，这里使用来自有机发光二极管231的非相干光输出225来驱动垂直激光腔201。使用如实施例2中所述的腔A和B作为该垂直激光腔结构，而其OLED器件构造如下：
a)使一85nm厚涂有ITO玻璃的透明阳极在商用洗净剂中做超声处理、在去离子水中洗涤、在甲苯蒸气中除油以及同强氧化剂接触；
b)在该ITO阳极上借助常规的热蒸发淀积上一150nm厚NPB空穴传送层；
c)借助常规的热蒸气淀积在该NPB层上淀积一30nm厚AND发光层；
d)借助常规的热蒸气淀积在该发光层上淀积一20nm厚Alq电子传送层；
e)借助常规的热蒸气淀积在该电子传送层上淀积一100nm厚Mg-Ag阴极。Mg对Ag的体积比为10∶1。
此OLED器件用同放大器(Avtech)串联的函数发生器来电驱动，它能输出自0至24V的高阻抗负载。为了监测榆至OLED器件的电流，将一27欧姆电阻与该OLED串联，并用100MHz数字示波器(Textronics)来测量其电压。使用一对60mm透镜通常将来自该OLED像素(3mm×3mm)的输出1∶1成像至垂直激光腔结构的表面上。
在20mA/cm2的CW驱动电流，此OLED器件有1.46W/(Sr-m2)的测量面辐射强度(在正视方向上收集)。图9给出该OLED之相对面辐射强度的频谱图。从该图可见，峰面辐射强度在448nm。由于Alq吸收系数在450nm迅速地开始下降，所以只有一部分OLED输出为激光腔吸收。
图10显示来自由该OLED器件所产生非相干光驱动之腔A的激光输出的频谱。结果在刚好高于阈值之OLED电流给出。此频谱用一分辨较之用于图5者稍差的单色仪(0.55nm而不是0.40nm)来测量。因此，该激光谱的半宽度为0.55nm。还应该指出，对于用50ns宽被聚焦至62μm光斑之激光驱动的腔A，用于图10的单色仪也测得0.55nm的频谱宽度。所以，产生激光跃迁的狭窄未受变成较宽(按时间与面积)和非相干输入泵激束的影响。
图11显示电泵激有机固态激光器件(腔B是垂直激光腔结构)之激光输出与OLED电流密度关系的log-log曲线。给出对于两个不同电流脉冲宽度2μs和8μs的结果，这里在这两种情况下重复率均为4Hz。每一该log-log功率曲线呈现三个直线部分(和两个相应的转折点)。该log-log率曲线第一线性部分的高斜率是由于OLED器件电阻电容电路的时间常数的非线性效应，它对小OLED驱动电流约为1μs。对于2μs脉冲器件，中间和上面的线性部分分别具有1.22和1.04的斜率，它们非常类似于上面实施例2中关于腔B3所报导的斜率1.24和0.92(相同的激光腔，但用其束形状和脉冲宽度几乎同该OLED输出一致的激光输入来驱动)。在激光驱动和OLED驱动垂直激光腔功率斜率之间的此类似性表明，功率曲线的特性不取决于泵激束功率源的相干性或频谱特性。对于8μs的脉冲器件，图11显示它起类似于2μs脉冲器件的作用，中间和上面部分的线性斜率分别为1.13和0.98。该图还显示，对于2和8μs脉冲器件阈电流分别约为0.5和0.3A/cm2。
正如在这两个实施方案中(分别于图2和3中给出)所公开的，垂直激光腔尤其适合接收来自非相干光发射器件的非相干光，其中激光腔和非相干光发射器件在单块衬底的共同侧上构成，这样便允许在该衬底的另一侧上集成其它的系统元件。
本发明的别的部件包括于下。
此激光发射装置中，光透明层是接收来自非相干光发射器件之光的第一工具的一部分。
此激光发射装置还包括位于衬底上的供控制激光发射装置运作的有源矩阵控制电路。
此激光发射装置还包括位于衬底上的供控制激光发射装置运作的无源矩阵控制电路。
此激光发射装置中，非相干光发射器件为顶发射极OLED器件。
此激光发射装置中，非相干光发射器件为底发射极OLED器件。
此激光发射装置另外包括多个位于共同衬镀上的激光发射极。
此激光发射装置中，所发射的激光为红、绿或蓝色。
此激光发射装置中有机发光器件包括：
a)透明的第一电极；
b)在该第一电极上配置的空穴传送层；
c)在该空穴传送层上配置的发光层；
d)在该发光层上配置的电子传送层；以及
e)在该电子传送层上配置的第二电极。
此激光发射装置中，有机发光器件包括：
a)配置在衬底上的第二电极；
b)在该第二电极上配置的空穴传送层；
c)在该空穴传送层上配置的发光层；
d)在该发光层上配置的电子传送层；以及
e)在该电子传送层上配置的透明的第一电极。
此激光发射装置中第二电极位于衬底之上。
此激光发射装置中，第二电极是反射性的。
此激光发射装置中衬底是反射性的。
此激光发射装置中，将来自有机活性层之光反射回到该有机活性层中的第二工具位于衬底之上。
此激光发射装置中，衬底是透明的。
此激光发射装置中，激光通过衬底发射的。
此激光发射装置中，垂直激光腔结构选择来在频谱的预定范围产生激光。
此激光发射装置，有机发光器件包括：
a)透明的第一电极；
b)配置在该第一电极上的空穴传送层；
c)配置在该空穴传送层上的发光层；
d)配置在该发光层上的电子传送层；以及
e)配置在该电子传送层上的第二电极。
此激光发射装置中，有机发光器件包括：
a)配置在衬底上的第二电极；
b)配置在该第二电极上的空穴传送层；
c)配置在该空穴传送层上的发光层；
d)配置在该发光层上的电子传送层；以及
e)配置在该电子传送层上的透明的第一电极。
一种激光发射装置，包括：
a)光透明层；
b)非相干光发射器件，包括：
i)在该光透明层一侧上安装的第一透明电极；
ii)邻近该第一电极以产生由该非相干光发射器件通过第一透明电极和光透明层透射之泵激光束的发光层；
iii)邻近该发光层的第二电极；
c)配置来接收由该有机发光器件所透射之泵激光束的垂直激光腔结构，这样的结构包括：
i)接收和透射来自该有机发光器件之光、并在预定的波长范围内对激光是反射的第一DBR镜；
ii)接收由该第一DBR镜透射之OLED光、并产生激光的有机活性层；以及
iii)将透射之OLED光和来自该有机活性层之激光反射回到有机活性层的第二DBR镜，使第一DBR镜适合于透射激光；以及
d)靠近该第二电极或第二DBR镜安装的衬底。
此激光发射装置中，第二电极位于衬底之上。
此激光发射装置中，第二电极是反射性的。
此激光发射装置中，衬底是反射性的。
此激光发射装置中，激光通过将来自有机活性层之光反射回到有机活性的第二工具发射。
此激光发射装置中，将来自有机活性层之光反射回到有机活性层的第二工具位于衬底之上。
此激光发射装置中，衬底是透明的。
此激光发射装置中，激光通过衬底发射。
此激光发射装置中，垂直激光腔结构选择来在频谱的预定范围内产生激光。

Claims (11)

1.一种激光发射装置，包括：
a)光透明层，
b)非相干光发射器件，包括：
i)位于该光透明层一侧上的第一透明电极；
ii)邻近该第一电极以产生由该非相干光发射器件通过第一透明电极和光透明层所透射之泵激光束的发光层；
iii)邻近该发光层的第二电极；
c)位于该光透明层另外一侧上，并且配置来接收非相干光发射器件通过光透明层所透射之泵激光束的垂直激光腔结构，这样的结构包括：
i)接收来自非相干光发射器件之光、并在预定的波长范围内主要是透射或反射光的第一工具；
ii)接收来自非相干光发射器件和来自第一光接收工具之光，并且产生激光的有机活性层；以及
iii)将来自该有机活性层之光发射回到有机活性层中的第二工具，其中该两个工具的结合便透射激光；以及
d)位于邻近该第二电极或第二工具的衬底。
2.权利要求1的激光发射装置，其中第二电极位于衬底之上。
3.权利要求2的激光发射装置，其中第二电极是反射性的。
4.权利要求2的激光发射装置，其中衬底是反射性的。
5.权利要求2的激光发射装置，其中激光通过将来自有机活性层之光反射回到有机活性层中之第二工具进行发射。
6.权利要求1的激光发射装置，其中来自有机活性层之光反射回到有机活性层中之第二工具位于衬底之上。
7.权利要求6的激光发射装置，其中该衬底是透明的。
8.权利要求6的激光发射装置，其中激光通过衬底进行发射的。
9.权利要求1的激光发射装置，其中垂直激光腔结构被选择以在频谱的预定范围内产生激光。
10.权利要求1的激光发射装置，其中通过增加泵激光束的截面积，并提供脉冲宽度约为微秒的泵激光束，可使其阈功率密度下降。
11.一种激光发射装置，包括：
a)光透明层；
b)非相干光发射器件，包括：
i)位于该光透明层一侧上的第一透明电极；
ii)邻近该第一电极以产生由非相干光发射器件通过第一透明电极和光透明层所透射之泵激光束的发光层；
iii)邻近该发光层的第二电极；
c)位于该光透明层另外一侧上，并配置来接收由有机发光器件通过光透明层所透射之泵激光束的垂直激光腔结构，这样的结构包括：
i)接收和透射来自有机发光器件之光、并且在预定的波长范围内对激光反射的第一DBR镜；
ii)接收由该第一DBR镜透射之光并且产生激光的有机活性层；以及
iii)将透射之OLED光和来自有机活性层之激光反射回到有机活性层中，并且透射激光的第二DBR镜；以及
d)位于邻近于第二电极或第二DBR镜的衬底。
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