DE19805993A1

DE19805993A1 - Laser mit einem organischen Emittermaterial und verteilter Rückkoppelung

Info

Publication number: DE19805993A1
Application number: DE19805993A
Authority: DE
Inventors: Jochen Prof Dr Feldmann; Andreas Dipl Phys Haugeneder; Wolfgang Dr Spirkl; Volker Dipl Phys Dr Wittwer; Martin Hilmer; Ulrich Dr Lemmer; Christian Dipl Phys Kallinger; Andreas Dipl Ing Gombert; Ullrich Dipl Chem Dr Scherf
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-12-31
Filing date: 1998-02-15
Publication date: 1999-07-08

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser aus einem or ganischem Emittermaterial und verteilter Rückkoppelung.

Aus einer Reihe von Artikeln ist es bekannt, daß konju gierte Polymerschichten zu stimulierter Emission fähig sind.

Hierzu wird exemplarisch auf folgende Artikel verwiesen:

- "Kooperative Emission in π-konjugierten dünnen Polymer filmen", von S.V. Frolov et al., erschienen in "Physi cal Review Letters", 1997, S. 729 bis 732
- "Lasing from conjugated-polymer microcavities", von N. Tessler et al., erschienen in "Nature" 1996, S. 695-697,
- "Laser action in organic semiconductor waveguide and double-heterostructure devices", von V.G. Kozlov et al., erschienen in "Nature" 1997, S. 362-364.

Auf diese Artikel wird im übrigen zur Erläuterung aller in dieser Anmeldung nicht näher beschriebenen Begriffe ausdrücklich verwiesen.

Ferner sind Laser, bei denen das Lasermaterial kein orga nisches Material ist, bekannt, die mittels verteilter Rückkoppelung einen großflächigen Laserstrahl erzeugen.

Praktisch vollständig aus einem organischen Material be stehende Laser mit verteilter Rückkoppelung sind jedoch bislang nicht bekannt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich Laser mit einem organischen Emittermaterial besonders für die Her stellung von Lasern mit verteilter Rückkoppelung eignen, da sich das organische Material einfach großflächig und in be liebigen Formen herstellen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser mit einem organischen Emittermaterials und verteilter Rück koppelung anzugeben, der einfach aufgebaut ist, und der auf die verschiedensten Arten angeregt werden kann.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Pa tentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Erfindungsgemäß besteht der Laser aus

- wenigstens einem zu stimulierter Lichtemission fähigen organischem Emittermaterial, das flächig ausgebildet ist, und
- Mitteln zum optischen, elektrischen und/oder chemi schen Pumpen des Emittermaterials, bei dem
- im Emittermaterial geführte Wellenleitermoden existie ren, und
- die Laserstruktur periodisch räumlich moduliert ist.

Die Erfindung geht dabei von folgendem Grundgedanken aus:
Ein zu stimulierter Lichtemission fähiges organisches Ma terial (im folgenden auch als Emittermaterial bezeichnet) wird bevorzugt innerhalb eines Mehrschichtsystems als dünner Film auf einem Substrat angeordnet, da dann die Wellenleitung in der Emitterschicht in einfacher Weise durch an die Emitterschicht grenzende dielektrische Schichten mit geeignetem Brechungsindex und/oder durch metallische Filme erreicht werden kann.

Die an das Emittermaterial angrenzenden Schichten bzw. Mehrschichtsysteme werden im folgenden als Grenzschichten bezeichnet.

Besonders bevorzugt ist es, wenn beide Flächen des Emit termaterials mit Grenzschichten in Kontakt stehen.

Insbesondere kann eine Grenzschicht ein Substrat sein, auf das die aktive Schicht aufgebracht ist. Das Aufbrin gen der dünnen Schicht kann dabei in der in der Kunst stofftechnik üblichen Weise erfolgen, nur beispielhaft sollen "Spinnen", Coaten, Rakeln oder Aufdampfen genannt werden.

Selbstverständlich ist es aber auch möglich, ein Ein schichtsystem zu verwenden, bei dem die geführten Wellen leitermoden beispielsweise durch Dotieren des Kunststoff materials oder Wellenleitung gegen Luft erreicht werden.

Als Emittermaterial kommen die verschiedensten Materiali en in Betracht:
Beispielsweise kann das Emittermaterial aus einem oder mehreren konjugierten Polymeren besteht, wie sie insbe sondere in dem einleitend genannten Stand der Technik be schrieben sind.

Neben der Verwendung von "festen" Emittermaterialien ist es aber auch möglich, Emittermaterialien zu verwenden, die aus einer oder mehreren flüssigen Schichten bestehen, die das laserfähige organische Material bilden oder in die das laserfähige Material eingelagert ist.

Weiterhin kann das Emittermaterial aus einer oder mehre ren Flüssigkristallschichten bestehen, in die das laser fähige organische Material eingelagert ist.

Eine solche Schicht hat den Vorteil, daß die emittieren den Zustände ausrichtbar sind. Damit kann die Polarisati on des emittierten Lichts gesteuert werden. Dies ist be sonders vorteilhaft, da die verteilte Rückkoppelung stark polarisationsabhängig ist.

Bei einem Mehrschichtsystem sind bevorzugt das Substrat und die obere Grenzfläche bzw. die obere Grenzschicht so ausgeführt, daß es im Emittermaterial geführte Wellenlei termoden gibt, die Licht in der Filmebene transportieren. Dies kann u. a. durch folgende Möglichkeiten erreicht wer den:

- Dielektrischer Film auf dem Emitterfilm (z. B. aus Kunststoff) mit einem Brechungsindex, der geringer als der Brechungsindex des Polymers bei der gewünschten Laseremissionswellenlänge ist. Der Film kann auch als Degradationsschutz der Polymerschicht dienen.
- Metallisch beschichtetes Substrat, so daß das Licht auf der Substratseite durch metallische Reflexion ge führt wird.
- Metallisch beschichtete obere Grenzfläche, so daß das Licht auf der oberen Grenzfläche durch metallische Re flexion geführt wird.

Weiterhin sind erfindungsgemäß das Substrat und/oder der Film und/oder die obere Grenzfläche des Filmes periodisch moduliert, so daß die Wellenleitung durch Bragg-Streuung erfolgt. Durch die periodische Modulation wird, bei ge eigneter Wahl der Modulationsperiode, das Licht so zu rückgekoppelt, daß innerhalb der Anordnung Laserlicht (mit der gewünschten Wellenlänge) entsteht. Das Laser licht wird durch die Oberseite oder die Unterseite oder seitlich zur Nutzung ausgekoppelt.

Bei einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, daß wenigstens eine Grenzschicht einen Mehr schichtaufbau und/oder das Emittermaterial einen Mehr schichtaufbau hat.

Die periodische Modulation der Laserstruktur kann dadurch erreicht werden, daß die Grenzschicht und/oder das Emit termaterial periodisch räumlich moduliert sind. Dabei kann sich die Modulation in Richtung der Flächenausdeh nung des Emittermaterials erstrecken.

Insbesondere kann das Emittermaterial periodisch modu liert im Brechungsindex oder in der lokalen Verstärkung sein. Die Rückkopplung erfolgt durch Beugung im peri odisch modulierten Emittermaterial:
Bei dieser Ausführungsform wird die periodische räumliche Modulation von einer räumlichen Modulation des Realteils des Brechungsindex und/oder des die Netto-Verstärkung des Emittermaterials, d. h. die Verstärkung durch stimulierte Emission minus Restabsorption bestimmenden Imaginärteils des Brechungsindex gebildet.

Weiterhin kann die räumliche Variation des Brechungsindex durch eine Höhenvariation des Emittermaterials und/oder wenigstens einer Grenzschicht senkrecht zur Flächener streckung des Emittermaterials gebildet werden. Darüber hinaus ist es möglich, daß der Realteil des Brechungsin dex in wenigstens einer Grenzschicht und/oder im Emitter material räumlich variiert. Auch ist es möglich, die Ma terialeigenschaften mittels holographischer Methoden ge eignet zu ändern.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist we nigstens eine Grenzschicht und/oder das Emittermaterial eine räumliche Strukturierung auf. Auch kann die Doppel brechung in wenigstens einer Schicht des Emittermaterials lokal variieren.

Ferner kann eine räumliche Variation der eingebrachten Pumpenergie die lokale Variation der Netto-Verstärkung erzeugen.

Beispielsweise können eine räumliche Variation der Dicke des Emittermaterials die lokale Variation der Netto-Ver stärkung oder eine Variation einer Eigenschaft des Emittermaterials lokale Variation der Netto-Verstärkung erzeugen.

Die periodische Modulation der Struktur kann weiterhin sehr einfach durch Höhenmodulation des Substrates, auf das dann die Emitterschicht aufgebracht wird, erreicht werden. Eine entsprechende Struktur ist von der Fraunho fer-Gesellschaft/ISE entwickelt worden. Dadurch ist die Herstellung flexibler Laserbauelemente möglich. Die Rück kopplung erfolgt dann durch Beugung an mindestens der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Emittermateri al. Weiterhin kann auch eine Trennung der aktiven Emit terschicht, die Laserlicht aussendet, von der periodisch strukturierten Schicht erreicht werden, so daß die struk turierten Teile der Probe als Reflektor für das in der aktiven Zone emittierte Licht wirken.

Weiterhin ist es möglich, die Volumendichte der angereg ten Emittermoleküle, die Volumendichte der lokalen Orien tierung der Emittermoleküle in der aktiven Schicht und/oder der nichtstrahlenden Rekombinationszentren der Akzeptormoleküle oder die Restabsorption zu variieren. Zusätzlich oder alternativ können die Transporteigen schaften der aktiven Schicht, der Kontaktschichten oder der Zuführungsschichten räumlich moduliert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung struktu rierter elektrischer Kontakte und/oder in der Beugung an den Kontakten.

Das Pumpen des Emittermaterials kann auf die verschieden sten Arten erfolgen:

- Externes optisches Pumpen des Emittermaterials über die obere oder untere Grenzfläche, z. B. über eine in ein Hybridbauelement integrierte anorganische Leucht- oder Laserdiode.
- Internes optisches Pumpen über eine in die Vielfach schicht integrierte Leuchtdiode.
- Elektrisches Pumpen des Emittermaterials durch Metal lelektroden oder transparente Elektroden, wie bei spielsweise Elektroden aus ITO an der Ober- und/oder Unterseite.
- Elektrisches Pumpen, bei dem der elektrische Transport in die Emitterschicht durch dünne Elektronen- und/ oder Lochtransportschichten erfolgt. Den Transport schichten kann dabei die Funktion der optisch dünneren Begrenzungsschicht des Wellenleiters zukommen.

In jedem Falle erhält man einen Laser mit einer Vielzahl von Vorteilen:
Beispielsweise kann der erfindungsgemäße Laser Licht im grünen und blauen Spektralbereich emittieren. Durch einen Mehrschichtaufbau des Emittermaterials kann man quasi weißes Laserlicht erhalten.

Die erfindungsgemäßen Laserquellen können unter anderem in Massenartikeln wie CD-Spielern, Datenspeichern, Scan nern und in der Beleuchtungstechnik breite Anwendung fin den. Aufgrund der kleinen Wellenlänge werden z. B. bei Da tenspeichern hohe Speicherdichten bzw. Auflösungen er reicht. Die gerichtete Strahlung könnte auch in anderen Bereichen Eingang finden, die bislang roten Laserdioden vorbehalten ist, wie z. B. Laserpointern.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, Laserquellen un ter alleiniger Verwendung von organischen Materialien (abgesehen von evtl. verwendeten Metallschichten) herzu stellen, einen Kunststofflaser. Insbesondere die am ISE der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelte Technik, Kunst stoffolien durch einen einfach in Serienproduktion zu realisierenden Prozeß eine periodische Höhenmodulation aufzuprägen, läßt die Möglichkeit der Herstellung einer sehr kostengünstigen Laserdiode erwarten.

Eine sehr einfache Herstellung ist gegeben bei Verwendung von strukturierten Kunstoffolien und durch Aufschleudern einer Polymerschicht oder Aufdampfen von niedermolekula ren Emittermaterialien.

Eine Besonderheit der organischen Materialien ist, daß sie großflächig aufgebracht werden können. Dies ermög licht die Erstellung von Laserbauelementen, die großflä chig spektral enge und kohärente Strahlung in einem engem Richtungsbereich emittieren können.

Durch ein Aufbringen der aktiven Filme auf ein Kunst stoffsubstrat wird ein mechanisch flexibles System mög lich, welches die Erstellung von nahezu beliebigen Formen gestattet. Neben flächigen Systemen sind beispielsweise auch zylindrische Systeme möglich, die einen Linienfokus der Strahlung für die Materialbearbeitung haben.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des all gemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla risch beschrieben, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfin dungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausfüh rungsbeispiels, bei optisch gepumpt wird,

Fig. 2 das Emissionsintensität als Funktion der Wel lenlänge in Abhängigkeit von der Pumpenergie Ep

Fig. 3 die Ausgangsleistung als Funktion der Pumpener gie E_p, und

Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels, bei dem elektrisch gepumpt wird.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Aus führungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasers.

Ein Film 1 aus einem Poly(p-phenyl)Polymer vom sogenann ten Ladder-(Leiter)-Typ, der als Lasermaterial dient, ist auf ein Kunststoffsubstrat 2 mit einer periodischen Hö henmodulation aufgebracht. Die Dicke des Films 1 beträgt ca. 300 nm. Das Kunststoffsubstrat 2 mit einer periodi schen Höhenmodulation wirkt als Bragg-Reflektor, der eine räumlich verteilte Rückkopplung für die induzierte Emis sion bewirkt.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Film mit einer Repetitionsrate von 1 kHz und einer Pulsdauer von 100 fs mit Licht der Wellenlänge 400 nm optisch gepumpt. Der Strahl des Pumplasers ist auf den Film 1 mit einem Spotdurchmesser von etwa 500 µm fokussiert.

Fig. 2 zeigt in den Fig. a bis c die Emissionsintensität für das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel als Funktion der Wellenlänge in Abhängigkeit von der Pump energie E_p bei Raumtemperatur. Bei Pulsenergien des Pump lasers von mehr als ca. 1,5 nJ zeigt sich ein Schwellen verhalten: Es erscheint ab dieser Pulsenergie eine schma le Laserlinie mit einer Linienbreite von etwa einem nm.

Fig. 3 zeigt die Ausgangsleistung als Funktion der Pum penergie Ep. Unterhalb des geannten Schwellwerts ist das Verhalten annähernd linear, oberhalb des Schwellwerts folgt ein steiler Anstieg.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem, elektrisch gepumpt wird. Auf dem Substrat 2 ist eine dün ne Schicht 3 aus Aluminium aufgebracht, auf die ein Poly mer 4 mit Lochtransporteigenschaften aufgebracht ist. Auf diesem Polymer 4 befindet sich der Film 1 aus laserfähi gem organischem Material, das wiederum beispielsweise Po ly(p-phenyl)Polymer vom sogenannten Ladder-(Leiter)-Typ sein kann.

Auf dem Film 1 ist ein Polymer 5 mit Elektronentranspor teigenschaften aufgebracht, auf das eine lichtdurchlässi ge Metallschicht 6, die beispielsweise aus ITO besteht, aufgebracht ist. Selbstverständlich kann die Schicht 6 auch eine Gitter- bzw. Netzstruktur haben, so daß das La serlicht durch die "Löcher" in der Struktur ausgekoppelt wird.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Brechungs index des Films 1 größer als der des Polymers 4 und des Polymers 5, so daß sich eine Wellenleitung ergibt.

Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch ohne Beschrän kung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben wor den.

Claims

1. Laser bestehend aus

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Fläche des Emittermaterials in Kontakt mit einer weiteren Schicht (i. f. Grenzschicht) steht.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat eine Grenz schicht bildet.

4. Laser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Flächen des Emitter materials mit Grenzschichten in Kontakt stehen.

5. Laser nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Grenz schicht einen Mehrschichtaufbau hat.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittermaterial einen Mehrschichtaufbau hat.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittermaterial aus wenigstens einem dünnen Film besteht.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittermaterial aus einem festen Material und insbesondere einem oder meh reren konjugierten Polymeren besteht.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittermaterial aus einer oder mehreren flüssigen Schichten besteht, in die das laserfähige organische Material eingelagert ist.

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittermaterial aus einer oder mehreren Flüssigkristall-Schichten besteht, in die das laserfähige organische Material eingelagert ist.

11. Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die emittierenden Zustände ausrichtbar sind.

12. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Grenz schichten und/oder das Emittermaterial periodisch räumlich moduliert sind.

13. Laser nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Periodizität der Modulation in Richtung wenigstens einer Flächenausdeh nung des Emittermaterials erstreckt.

14. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische räumliche Modulation von einer räumlichen Modulation des Real teils des Brechungsindex und/oder des die Netto-Ver stärkung des Emittermaterials, d. h. die Verstärkung durch stimulierte Emission minus Restabsorption be stimmenden Imaginärteils des Brechungsindex gebildet wird.

15. Laser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Variation des Brechungsindex durch eine Höhenvariation der Grenzfläche zwischen Emittermaterial und wenigstens einer Grenzschicht erzeugt wird.

16. Laser nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Realteil des Bre chungsindex in wenigstens einer Grenzschicht und/oder im Emittermaterial räumlich variiert.

17. Laser nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Grenz schicht und/oder das Emittermaterial eine räumliche Strukturierung aufweist.

18. Laser nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelbrechung in we nigstens einer Schicht des Emittermaterials lokal va riiert.

19. Laser nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine räumliche Variation der eingebrachten Pumpenergie die lokale Variation der Netto-Verstärkung erzeugt.

20. Laser nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine räumliche Variation der Dicke des Emittermaterials die lokale Variation der Netto-Verstärkung erzeugt.

21. Laser nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Variation einer Ei genschaft des Emittermaterials die periodische Modula tion des Imaginärteils des Brechungsindex erzeugt.

22. Laser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft die Volu mendichte der angeregten Emittermoleküle, die Volumen dichte der lokalen Orientierung der Emittermoleküle in der aktiven Schicht und/oder der nichtstrahlenden Re kombinationszentren der Akzeptormoleküle oder die Restabsorption ist.

23. Laser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft die räum lich modulierte Transporteigenschaften der aktiven Schicht, der Kontaktschichten oder der Zuführungs schichten ist.

24. Laser nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß geeignet strukturierte elektrische Kontakte und/oder Beugung an den Kontakten die Variation der periodischen Modulation des Imagi närteils des Brechungsindex erzeugt.

25. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Emittermaterial aus mehreren Schichten besteht, die Licht unterschiedli cher Wellenlänge emittieren.

26. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode der verteilten Rückkoppelung entsprechend der gewünschten Laserwel lenlänge gewählt ist.

27. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke und/oder der Brechungsindex des Emittermaterials entsprechend der gewünschten Laserwellenlänge gewählt sind.

28. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 27, gekennzeichnet durch Mischsysteme, bei denen Emitter moleküle mit unterschiedlicher Emissionsenergie einge setzt werden.

29. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung der Laser wellenlänge durch chemische Veränderung der Emittermo leküle erfolgt.