DE69827246T2

DE69827246T2 - Organische laser

Info

Publication number: DE69827246T2
Application number: DE69827246T
Authority: DE
Inventors: R. Stephen FORREST; Vladimir Bulovic; Paul Burrows; Vladimir Kozlov
Original assignee: Princeton University
Current assignee: Princeton University
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1998-05-08
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2018-05-09
Also published as: JP2009065215A; WO1998050989A9; EP0980595A2; JP4289512B2; EP0980595A4; ATE281011T1; DE69827246D1; WO1998050989A3; EP0980595B1; WO1998050989A2; JP5726399B2; JP2002500823A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Leuchten, insbesondere Laserlichtleuchten, die organisches Material enthalten.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Mehrere in jüngster Zeit erschienene Herausgaben haben über Phänomene, wie z.B. die Superlumineszenz und verstärkte spontane Emissionen in polymeren organischen Leuchten, wie z.B. konjugierte Polymere, berichtet. (N. Tessler et al., Nature 382, 695 (1996); F. Hide et al., Science 273, 1833 (1996). Die in diesen Leuchten verwendeten Materialien sind mit einer Lösung des Polymers, oder seinen chemischen Vorläufern rotationsbeschichtet. Bei einer optimal angeregten, stimulierten Emission der organischen Laserfärbemittel, die den inerten, rotationsbeschichteten Polymeren oder Gels hinzugefügt werden, wurden bereits in der Literatur beschrieben. (R. E. Hermes, et al., App. Phys. Lett. 63, 877 (1993); M. N. Weiss et al., App. Phys. Lett. 69, 3653 (1996); H. Kogelnik et al., App. Phys. Lett. 18, 152 (1971); M. Canva et al., App. Opt., 34, 428 (1995)).
Beim Vergleich mit anderen elektrolumineszierenden Materialien weisen die per Rotationsbeschichtung beschichteten polymerischen Materialien jedoch weder eine besonders gute Einheitlichkeit der Dicke, noch die Fähigkeit, eine extrem hohe Materialreinheit zu erzielen, noch Betriebszeiten sowie eine Leichtigkeit der Integration mit anderen herkömmlichen Halbleiterfertigungssverfahren auf. In dem Gebiet der organischen Leuchtgeräte (OLED – organic light emitting devices) für z.B. Anwendungen von Flachbildschirmanzeigen, bieten Kleinmolekühl-OLEDs derzeit bessere Betriebszeiten durch die Größenordnung über deren rotationsbeschichteten, polymeren Analoge hinaus.
In jüngster Zeit hat es reges Interesse an Laseraktivitäten und stimulierten Emissionen bei Dünnschichten mit organischen Halbleitern mit geringerem molekularem Gewicht und Polymeren als organische Halbleiterlaser („OSLs" – organic semiconductor lasers) gegeben. Die niedrigen Kosten von organischen Materialien und die Fähigkeit, diese als quasi und nicht epitaxiale Dünnschichtintegration der OSLs mit anderen optoelektronischen Geräten zu produzieren, machen diese für eine Reihe von Anwendungen attraktiv. Die bestimmten optischen und elektronischen Eigenschaften der anorganischen Halbleiter führen zu einer Leistung, die wesentlich temperaturbeständiger ist, als herkömmliche anorganische Laserdioden, was einen potentiellen Vorteil bei optischen Kommunikations- und Sensoranwendungen darstellt. Die Laseraktivität in optisch angeregten Plattenwellenleiter-Strukturen von vakuumabgelagerten Dünnschichten von organischen Halbleitern mit geringem molekularem Gewicht wurde z.B. vor kurzem demonstriert. (Siehe V. G. Kozlov et al., Conf on Lasers and Electro-optics CLEO '97, CPD-18, Opt. Soc. Am., Baltimore, MD, Mai 1997). Ausgabeleistung, Differenzial-Quantenwirkungsgrad und Emissionswellenlänge dieser organischen Halbleiterlaser (OSLs) sind erheblich stabiler bei Temperaturänderungen, als herkömmliche anorganische Laserdioden. Dieser Vorteil der organischen Laserstrukturen zusammen mit den inhärenten Vorteilen der organischen Halbleiter, wie niedrige Kosten, quasi und nicht epitaxiale Produktion (S. R. Forrest et al., Phzs. Rev. B 49, 11309 (1994)) und Leichtigkeit der Integration in andere optoelektronischen Geräte stellen eine starke Motivation für eine weitere Forschung bereit. Derzeit besteht Interesse an der Entwicklung von OSL-Strukturen, die zu den gewünschten OSL-Eigenschaften führen, wie einer engen Bandweitenemission, minimale Verwendung von aktiven organischen Materialien und die erleichterte Abstimmung von Wellenlängen und der elektrischen Anregung.
Aus dem US Patent 5.405.710 ist eine Vorrichtung mit wenigstens zwei optischen Mikrohohlraum-Lichtsendern bekannt. Jeder dieser Lichtsender umfasst voneinander beabstandete Reflektoren, welche den Mikrohohlraum definieren und umfasst weiterhin organisches Material, das zu einer Elektrolumineszenz in der Lage ist (z.B. Tris(8-Hydroxyquinolin)Aluminium, allgemein als „ALQ" Bekannt) sowie Mittel zum Auftragen eines elektrischen Felds über das organische Material. Einer der wenigstens zwei Mikrohohlräume weist eine effektive optische Länge L₁ auf und der andere Mikrohohlraum weist eine effektive optische Länge L₂ ≠ L1 auf, wobei die optischen Längen derart ausgewählt sind, einer der Mikrohohlräume eine Strahlung einer ersten Farbe (z.B. rot) abgibt und der andere Mikrohohlraum eine Strahlung einer zweiten Farbe (z.B. grün) abgibt. In vielen Fällen existiert ebenfalls ein dritter Mikrohohlraum, der eine Strahlung einer dritten Farbe (z.B. blau) abgibt. Bei den bevorzugten Ausführungsformen befindet sich in den Mikrohohlräumen eine Füllschicht von einer Dicke, die so ausgewählt ist, dass sie einem vorbestimmten Mikrohohlraum die gewünschte optische Länge bereitstellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine vollfarbige Flachbildschirmanzeige, die viele Pixel umfasst, wobei jedes Pixel wenigstens drei verschiedene Mikrohohlraumsender umfasst. Andere in Betracht kommende Ausführungsformen bestehen aus einem LED-Drucker, einem optischen Verbindungs- und einem optischen Lichtleitersystem.
Aus dem US Patent 4.395.769 ist ein abstimmbarer Halbleiterlaser bekannt, der eine abstimmbare Laserstrahlung durch Anregen eines keilförmigen Ultrakurzlaserhohlraums mit Piosekunden-Anregungstakten bereitstellt. Die kontinuierliche Abstimmung der Laser wird durch die Trans lation entweder des keilförmigen Laserhohlraums oder der Anregungstakte derart erreicht, dass die verschiedenen Volumen des Lasermaterials den < Anregungstakten ausgesetzt sind. Bei einer Ausführungsform, die Piosekunden-Laseranregungstakte einsetzt, handelt es sich bei dem keilförmigen Laserhohlraum um einen leicht verkeilten Film aus GaAs, die an beiden Seiten mit dielektrischen Spiegeln beschichtet sind.
Aus US Patent 7.539.545 sind organische Leuchtdioden bekannt, die eine transparente Kathodenstruktur aufweisen. Die Struktur besteht aus einem Metall mit niedriger Austrittsarbeit, das in direktem Kontakt zur Elektronentransportschicht des OLEDs steht, das mit einer Schicht aus einem Halbleiter mit einer breiten Bandlücke beschichtet ist. Kalzium ist dabei das bevorzugte Metall aufgrund seines relativ hohen optischen Durchlassvermögens für ein Metall und wegen seiner bewährten Fähigkeit, einen guten Elektronen einspeisenden Kontakt zu organischen Materialien zu bilden. ZnSe, ZnS oder eine Legierung dieser Materialien sind die bevorzugten Halbleiter aufgrund deren guten Leitfähigkeit parallel zur Richtung der Lichtemission, deren Fähigkeit, die zugrunde liegenden Metalle mit niedriger Austrittsarbeit und organischen Filme und deren Transparenz zum ausgestrahlten Licht zu schützen. Anordnungen dieser Dioden, ordnungsgemäß verdrahtet, können verwendet werden, um dadurch eine selbst ausstrahlende Anzeige zu erzeugen. Wenn auf einem transparenten Substrat gefertigt, ist eine solche Anzeige zumindest teilweise transparent, wodurch diese für Anwendungen von Überkopf-Anzeigen in Flugzeugen und Kraftfahrzeugen geeignet sind. Eine solche Anzeige kann ebenfalls auf einem lichtundurchlässigen Substrat gefertigt werden, wie z.B. Silikon, in welchem vorgefertige Geräte und Stormkreise verwendet werden können, um die Anzeige anzutreiben.
Das Dokument US-6,111,502 offenbart einen organischen Laser, der eine organische Verstärkungsmittelschicht auf einem Substrat umfasst, wobei die genannte Verstärkungsmittelschicht zwei parallel reflektierende Facetten aufweist, die einen Resonator und eine optische Anregungsquelle bilden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Weitere Ausführungsformen sind in Ansprüchen 2–14 definiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft Lasergeräte, die organische Materialien enthalten, welche eine Laserfunktion ausüben, wenn diese angeregt werden, um dadurch Laserlicht zu erzeugen. Die Erfindung enthält sowohl optisch als auch elektrisch angeregte Ausführungsformen von einzigartigen Strukturen und organischen Lasermaterialien. Im Gegensatz zu rotationsbeschichteten polymeren Materialien bieten die in der vorliegenden Erfindung eingesetzten organischen Materialien die Vorteile einer ausgezeichneten Einheitlichkeit der Dicke, eine extrem hohe Materialreinheit und eine Leichtigkeit der Integration in herkömmliche Fertigungsverfahren. Weiterhin stellen die Lasergeräte gemäß der vorliegenden Erfindung einen deutlichen Grenzbereich an Ausgabeleistung, gut definierten Laserstrahlen, Hohlraumverfahren und spektrale Leitungsverengung bereit.
Die vorliegende Erfindung enthält einen Laser, der eine Spiegelschicht und eine Schicht aus aktivem organischem material über der Spiegelschicht umfasst. Das aktive organische Material übt eine Laserfunktion aus, wenn es angeregt wird, um dadurch Laserlicht zu erzeugen. Die Spiegelschicht reflektiert wenigstens einen Teil des Lichts, das durch das erste aktive organische Material erzeugt worden ist.
In einer Hinsicht betrifft die vorliegende Erfindung optisch angeregte Laser, die eine Quelle aus optischer Anregungsenergie zur Anregung des aktiven organischen Materials enthalten.
In einer weiteren Hinsicht betrifft die vorliegende Erfindung elektrisch angeregte Laser, in welchen das aktive organische Material elektrolumineszent und zwischen einem Paar von Elektroden angeordnet ist. Das aktive organische Material wird angeregt, wenn ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden hindurch läuft.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Anordnung, einschließlich einer Ausführungsform eines Lasergerätes gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
2 stellt eine Anordnung, einschließlich einer Ausführungsform eines Lasergerätes gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
3 ist eine graphische Darstellung des Verhältnisses zwischen der Spitzenausgabeleistung und der Anregungsenergiedichte einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 (in 3 eingefügt) stellt die Polarisierung der Emission einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als eine Funktion des Winkels zwischen einer orthogonal zur Filmoberfläche angeordneten Ebene und der Ebene eines Polarisators dar.
5A und 5A stellen die Ausführungsformen der elektrisch angeregten Lasergeräte gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
6 stellt einen Querschnitt einer Laserhohlraumstruktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
8A–8H stellen die chemischen Formeln für DCM (=4-(Dicyanomethylen)-2-Methyl-6-(Para-(Diaminostryryl)-4HPyran)), Alg₃ (=Tris(8-Hydroxyquinolin)), CBD (=Chlorobiphenyl). DCM2 (=2-Methyl-6-2-(2,3,6,7-Treahydro-1H,5H-Benzo-Quinolizin-9-yl)EthenA-4H-Pyran-Yliden-Propanodinitril, Rhodamin-6G, Coumarin-47, Perylen bzw. Pyrromethen-546 dar.
9 stellt einen Querschnitt eines abstimmbaren, optisch angeregten Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
10 stellt einen Querschnitt eines elektrisch angeregten Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
11 stellt einen Querschnitt eines gestapelten, vollfarbigen, elektrisch angeregten Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
12 stellt einen Querschnitt eines abstimmbaren, elektrisch angeregten Lasers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
13 stellt einen Querschnitt einer Wellenleiter reduzierenden Struktur gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
14 stellt die Emissionsspektren für ein optisch angeregtes Lasergerät gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
15 stellt das spontane Emissionsspektrum in der normalen Substratrichtung aus einer beispielhaften Ausführungsform eines OVCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
16 stellt das Emissionsspektrum bei einem hohen Anregungspegel aus einer beispielhaften Ausführungsform eines OVCSEL gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
17 stellt ein hochauflösendes Emissionsspektrum aus einer beispielhaften Ausführungsform eines OVCSEL der vorliegenden Erfindung als eine zum Lasergrenzbereich benachbarten Anregungsfunktion dar.
18 stellt eine Abhängigkeit der Ausgabeenergie an der zum Lasergrenzbereich benachbarten Eingabepumpenergie für eine beispielhafte Ausführungsform eines OVCSEL der vorliegenden Erfindung dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Ausführungsform eines optisch angeregten Lasergeräts 100 der vorliegenden Erfindung ist in 1 dargestellt. Das Lasergerät 100 enthält eine erste Spiegelschicht 110 und eine Schicht 112 eines aktiven organischen Materials. Die erste Spiegelschicht 110 ist ein „Spiegel", wobei dieser in der Lage ist, wenigstens einen Teil des Lichts der Schicht 112 des aktiven organischen Materials zu reflektieren. Viele der in den Geräten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Spiegelschichten werden zum Beispiel dazu verwendet, Laserlicht mit den bevorzugten Eigenschaften, wie Wellenlänge, Ausrichtung, Helligkeit und ähnlichem, zu übertragen, während das Licht mit den nicht bevorzugten Eigenschaften reflektiert wird. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Spiegelschichten enthalten z.B. Substrate aus Glas, Quarz, Saphir oder Kunststoff, polierte inP-Schichten, dielektrische DBR (distributed Bragg reflectors), metallische Spiegel und ähnliches.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten organischen Materialien sind „aktiv", d.h. sie üben eine Laserfunktion aus, wenn sie durch beliebig geeignete Mittel angeregt werden, wie z.B. durch optische oder elektrische Energie, um dadurch Laserlicht zu erzeugen. Die aktiven organischen Materialien enthalten Host- und Dopantmaterialien, die durch eine beliebig geeignete Methode auf die erste Spiegelschicht 110 abgelagert sind. Die erste Spiegelschicht 110 ist wahlweise mit einer Umhüllungsschicht 111 vorbeschichtet, die ein Material mit einem Brechungsindex umfasst, der kleiner als der Brechungsindex des organischen Materials der Schicht 112 ist. Wenn die Schicht 112 mit optischer Pumpenergie von einer Quelle, wie z.B. einem Stickstofflaser 118 angeregt wird, erzeugt das Lasergerät 100 einen Laserstrahl 116 mit einer vorbestimmten Farbe.
Schichten 111 und 112 haben eine beliebig geeignete Dicke. Die beispielhaften Schichten 111 und 112 in der in 1 dargestellten Ausführungsform sind ungefähr 2 μm, bzw. 120 nm. Die Dicke der Umhüllungsschicht 111 ist bevorzugt so ausgewählt, um eine optische Isolation in der Schicht 112 von der lichtundurchlässigen ersten Spiegelschicht 110 bereitzustellen. Die Dicke der Schicht 112 ist so ausgewählt, um eine einheitliche Anregung bereitzustellen und die Fähigkeit der Schicht, als ein optischer Wellenleiter zwischen der Umhüllungsschicht 111 und der Umgebung zu fungieren. Wenn die Schicht 112 z.B. CBP umfasst, führt eine Dicke von 120 nm zu einer Absorption an Pumpenergie von ungefähr 60% und einem Wellenleiter-Begrenzungsfaktor von ungefähr 59% bei λ = 485 nm. Um die Wellenleiterfähigkeit der Schicht 112 weiter zu erleichtern, weist die Umhüllungsschicht 111 einen Brechungsindex auf, der kleiner ist, als die Schicht 112 und daher dazu dient, die optische Begrenzung in Schicht 112 in der Richtung zu erhöhen, die normal für die Oberfläche des Gerätes ist. Zum Beispiel umfasst die Umhüllungsschicht 111 SiO₂ (Brechungsindex, "n" von etwa 1,5) wenn die Schicht 112 CBP als das organische Hostmaterial (n ~ 1,8) umfasst. Die Umhüllungsschicht 111 ist nicht unbedingt notwendig, wenn z.B. die erste Spiegelschicht 110 für eine Laseremission durch diese vorgesehen ist. In der in 1 dargestellten Ausführungsform, in der die Laseremission durch die Seite 113 der Schicht 112 stattfindet, ist die Umhüllungsschicht 111 jedoch bevorzugt. Zusätzlich enthält Schicht 112 bevorzugt zwei reflektierende Facetten 113 und 114, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und auf diese Weise einen optischen Resonator in der Schicht 112 bilden.
Die Schichten 111 und 112 sind auf der ersten Spiegelschicht 110 durch eine beliebig geeignete Methode abgelagert, wie z.B. durch eine Ablagerung aus plasmaverstärktem, chemischen Dampf, bzw. durch eine thermische Vakuumverdampfung. Die Konzentration des Dopantmaterials in der Schicht 112 liegt typischerweise unter 10% der Masse, kann aber auch 0,01% betragen. Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass die Schicht 112 durch thermische Coverdampfung des Hostmaterials und Dopantmaterials bei einem entsprechenden Massenverhältnis von ungefähr 100 : 1 abgelagert ist.
Die Lasergeräte der vorliegenden Erfindung werden auf einer beliebigen Spiegelschicht, an welche die organische Schicht 112 anhaftet und die bevorzugt einen niedrigeren Brechungsindex (n) aufweist, als das organische Schichtmaterial. Akzeptables Spiegelschichtmaterial schließt Kunststoffe, Glas und mit Silikon beschichtetes SiO₂ ein. Ein bevorzugtes erstes Spiegelschichtmaterial wird mit InP poliert. Eine typische Länge für ein Gerät gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt 5 mm, obwohl Geräte von kürzerer Länge, wie z.B. 0,5 mm, ebenfalls möglich sind.
Die Bildung von optisch glatten, spitzen Facetten 113 und 114 an gegenüberliegenden Kanten der Schichten 112 stellt einen natürlichen Vorteil der vakuumabgelagerten Filme dar. Die Form der Facetten 113 und 114 ahmen die Form der entsprechenden Facetten der zugrunde liegenden ersten Spiegelschicht 110 nach (oder der Umhüllungsschicht 111, falls verwendet). Als solche wird bevorzugt, dass die Seiten der ersten Spiegelschicht 110 glatt und parallel zueinander angeordnet sein sollen. Reflexionsvermögen der Facetten von 7% werden durch eine Vakuumablagerung der Schicht 112 erreicht, welche ausreichend ist, um die erforderliche optische Rückkopplung bereitzustellen. Die optische Rückkopplung wird ebenfalls mit anderen Strukturen erreicht, wie z.B. einem optischen Gitter, das unterhalb des optisch angeregten Bereichs des organischen Films gelegt wird, um auf diese Weise eine verteilte Rückkopplungsstruktur zu bilden. Als Alternative zur Bildung der Facetten 113 und 114 durch die Vakuumablagerung der Schicht 112, kann die Schicht 112 auch auf der ersten Spiegelschicht 110 (oder Umhüllungsschicht 111, falls verwendet) durch eine beliebig geeignete Methode abgelagert werden und die Kombination wird dann gespalten, um glatte, spitze Facetten zu bilden.
Eine beliebige optische Pumpenausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie z.B. das Gerät 100 wird mithilfe einer Lichtquelle angeregt, die Licht abwirft, das durch die molekulare Spezies des Hostmaterials der Schicht 112 absorbiert werden kann. Das Gerät 100 wird z.B. mit einem Stickstofflaser 118 optisch angeregt, der 500 ps Takte mit einer Wellenlänge von 337 nm bei einer 50 Hz Wiederholungsrate erzeugt. Wie in 1 dargestellt, wird der Pumpstrahl, z.B. durch eine zylindrische Linse 117, in einen Streifen 115 auf der Filmoberfläche, scharf eingestellt, wobei dieser orthogonal auf die Facetten 113 und 114 ausgerichtet wird. Die Breite des Streifens 115 weist eine beliebig geeignete Abmessung auf, wie z.B. 100 μm. Der Pumpstrahl wird in Schicht 112 wellengeleitet, um auf diese Weise den Laserstrahl 116 zu erzeugen, der von der Facette 113 und/oder 114 des Gerätes 100 ausgestrahlt wird. Darüber hinaus ist der Brechungsindex des beleuchteten Teils 115 der organischen Schicht 112 durch einen verstärkungsführenden Effekt höher, als der des nicht beleuchteten Teils, wodurch eine Begrenzung des optischen Verfahrens in der vertikalen Richtung bereitgestellt wird.
2 stellt eine Ausführungsform 200 eines optisch angeregten Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung dar, bei welcher es nicht notwendig ist, den Streifen 115 auf der Schicht 112 zu bilden. In dieser Ausführungsform bildet die Umhüllungsschicht 111 einen Grat auf der ersten Spiegelschicht 110, auf welcher die Schicht 112 des organischen Materials abgelagert ist. In dieser Ausführungsform wird das optische Verfahren auf diese Weise in sowohl der z- als auch der y-Richtung begrenzt. Die Breite der Schichten 111 und 112 sollte bevorzugt eng genug sein, um nur ein einzelnes laterales optisches Verfahren (z.B. 1–10 μm) zu unterstützen. Die Dicke der aktiven organischen Schicht 112 sollte ungefähr gleichwertig zur Wechselwirkung des Absorptionskoeffizienten des Hostmaterials bei der Wellenlänge des Lichts sein, mit welchem das Gerät angeregt wird. Falls eine reflektierende Schicht (nicht dargestellt) zwischen die Schicht 111 und die erste Spiegelschicht 110 gelegt wird, sollte die Dicke der organischen Schicht 112 ungefähr die Hälfte der Wechselwirkung des Absorptionskoeffizienten des Hostmaterials bei einer Wellenlänge des Lichts betragen, mit welchem das Gerät angeregt wird. Um das Lasergerät in 2 zu schützen, ist dieses wahlweise mit einem transparenten Material (nicht dargestellt) beschichtet, dessen Brechungsindex kleiner ist, als der der Schicht 112.
Ein Beispiel der Unabhängigkeit der Spitzenausgabeleistung des Geräts 100 zur Pumpenergiedichte ist in 3 dargestellt. Aus diesem Verhältnis wird der Lasergrenzbereich deutlich unterschieden. Jeder Linienabschnitt im Diagramm in 3 stellt eine lineare Passung zu den empirisch gemessenen Punkten dar. Die Abfälle der beiden Linienabschnitte heben eine Veränderung des Differenzial-Quantenwirkungsgrades von 0,2% (unter dem Lasergrenzbereich) bis 10% (über dem Lasergrenzbereich) hervor. Es sei jedoch bemerkt, dass die Differenzial-Quantenwirkungsgrade eine erhebliche Unterschätzung darstellen, da der Laserbereich in einem optisch angeregten, verstärkungsgeführten Gerät nur einen kleinen Bruchteil des Materials darstellt, das angeregt wird. Daher geht die meiste Pumpleistung in den Nicht-Laserregionen verloren. Der Differenzial-Quantenwirkungsgrad vermindert sich auf 7% bei Erregungspegeln über 10 J/cm² (nicht dargestellt), entsprechend den Spitzenausgabeleistungen, die 4 W überschreiten.
4 (in 3 eingefügt) stellt die Intensität der Ausstrahlung von dem Gerät 100 dar, während es durch einen Polarisator als eine Funktion des Winkels zwischen einer orthogonal zur Filmoberfläche angeordneten Ebene und der Ebene eines Polarisators darstellt. Die Emission wird stark linear polarisiert, wie bei einer Laseremission zu erwarten ist. Der gemessene Grad an Polarisierung beträgt 15 dB; obwohl bemerkt werden sollte, dass dieses Ergebnis durch die Messanordnung beschränkt wird. Die durchgehende Linie, die eine Passung mit den empirisch gemessenen Punkten darstellt, folgt si² α. wobei den Winkel des Polarisators darstellt.
Zusätzlich zu den oben erörterten optisch angeregten Ausführungsformen, stellt die vorliegende Erfindung ebenfalls elektrisch angeregte organische Halbleiter Laserausführungsformen bereit. Solche Ausführungsformen verwenden elektrolumineszente Materialien, die Licht abgeben, wenn diese durch elektrischen Strom angeregt werden.
5a stellt eine Querschnittansicht einer elektrisch angeregten Lasergerät-Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Das Gerät 300 enthält eine erste Elektrode 31, eine untere Umhüllungsschicht 32, eine Schicht 33 eines aktiven organischen Materials, eine obere Umhüllungsschicht 34 und eine zweite Elektrode 35, die nacheinander über einer ersten Spiegelschicht 30 abgelagert sind. Der Grad an optischer Begrenzung in der aktiven Schicht 33 hängt von Faktoren, wie z.B. den Brechungsindices der Umhüllungsschichten 32 und 34 ab.
Die Schicht 33 des aktiven organischen Materials umfasst ein beliebiges organisches elektrolumineszentes Material, wie z.B. beschichtetes Aiq₃. Jede der beiden Umhüllungsschichten 32, 34 umfasst ein Leerstellen leitendes Material, wie MgF₂, das mit 10% TPD beschichtet ist. Die andere der Umhüllungsschichten umfasst ein Elektronen leitendes Material, wie Aiq₃ oder MgF₂, das mit Aiq₃ beschichtet ist. Bei jeder der Umhüllungsschichten 32 oder 34 kann MgF₂ durch ein anderes Alkalihaloid, wie LiF, KF oder Kl oder durch ein transparentes, leitendes organisches Material mit einem niedrigen Brechungsindex ersetzt werden. Nachdem der Strom zwischen den Elektroden 31 und 35 durchgelaufen ist, werden die Elektronen und Leerstellen in die aktive Schicht 33 eingespeist, wo die Energie vom leitenden Hostmaterial zu den Dopantmaterialien, die Licht abgeben, übertragen wird.
Ein optischer Resonator wird durch die Kanten des Gerätes 300 gebildet, d.h. durch die Spiegelfacetten M1 und M2. Wenigstens eine der Elektroden 31 und 35 wird in einen Streifen geformt, der in der x-Richtung ausgerichtet ist. Der Teil des aktiven Materials, der elektrisch angeregt wird, erfährt eine Veränderung an optischer Verstärkung, wodurch ein Wellenleiter in lateraler Richtung (d.h. der verstärkungsführende Effekt) gebildet wird.
Bei dem in 5a dargestellten elektrisch angeregten Lasergerät liegt der Brechungsindex der aktiven Schicht 33 bevorzugt höher, als der der Umhüllungsschichten 32 und 34. Dies stellt sicher, dass das meiste des Verfahrens mit der Verstärkungsschicht überlappt. Bevorzugt sollten die Brechungsindices der Umhüllungsschichten 32 und 34 im Wesentlichen gleichwertig sein, um eine optimale optische Begrenzung innerhalb der Schicht 33 bereitzustellen.
Die Umhüllungsschichten 32 und 34 sollten dick genug sein, um im Wesentlichen eine Absorption des optischen Verfahrens an den Elektroden 31 und 35 zu verhindern und um eine effiziente Stromeinspeisung zu ermöglichen. Bei einem Einzelverfahrensbetrieb sollte die Dicke der aktiven Schicht 33 im Wesentlichen gleichwertig mit der Laserwellenlänge, geteilt durch den zweifachen Brechungsindex der aktiven Schicht sein. Bei höheren Verfahren, sollte die Dicke der aktiven Schicht 33 dementsprechend höher liegen.
Die optische Begrenzung in der Schicht 33 wird ebenfalls durch z.B. Fotobleichen der Schicht 33 erreicht, um darin einen Wellenleiter zu definieren. Wenn die aktive Schicht 33 einmal abgelagert worden ist, wird mithilfe dieser Methode eine Fotomaske aufgetragen, die die aktive Schicht 33 teilweise abdeckt, und die Schicht wird intensivem UV-Licht in einer O₂-Umgebung ausgesetzt. Die freigelegten Teile der aktiven Schicht 33 werden auf diese Weise gebleicht, wodurch deren Brechungsindex gesenkt wird.
Der maskierte Teil der aktiven Schicht 33 behält seinen ursprünglichen, höheren Brechungsindex bei und führt daher zu einer optischen Begrenzung in derselben.
Als weiteres Beispiel wird eine optische Begrenzung durch die Musterkennung der ersten Spiegelschicht oder der unteren Umhüllungsschicht erreicht, um eine Indexführung zu erhalten. Zum Beispiel kann das Fotobleichen an der unteren Umhüllungsschicht 32 eingesetzt werden, um einen Index modulierten, verteilten Bragg-Reflektor unter der aktiven Schicht 33 zu erzeugen.
Ein optischer Resonator wird wahlweise in der z-Richtung gebildet. In diesem Fall dienen die oberen und ersten Elektroden ebenfalls als optische Spiegel, oder falls die Elektroden für Licht transparent sind, werden hochreflektierende Spiegel an beiden Seiten der Struktur hinzugefügt. Das Maximum des optischen Verfahrens dieser Struktur sollte der Position der optischen Schicht räumlich entsprechen. Weiterhin sollte die Wellenlänge des optischen Verfahrens das Verstärkungsspektrum des Dopantmaterials überlappen.
5b stellt eine weitere Ausführungsform eines elektrisch angeregten Lasergerätes gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In dieser Ausführungsform erstreckt sich die erste Elektrode 31 über die Laserstruktur hinaus, um eine Kontaktfläche bereitzustellen. Zusätzlich wird ein Isolator 37 auf einer Seite der Laserstruktur bereitgestellt und ein Kontakt 36, der sich von der zweiten Elektrode 35 zur Oberfläche der ersten Spiegelschicht 30 erstreckt, wird auf dem Isolator abgelagert.
Die vorliegende Erfindung enthält organische Vertikalhohlraum-, Oberflächen emittierende Laserstrukturen (OVCSEL – organic vertical-cavity surface-emitting laser), in welchen die Laserhohlräume verwendet werden, um einen deutlichen Grenzbereich an Ausgabeleistung, einen gut definierten Laserstrahl, Hohlraumverfahren und eine spektrale Leitungsverengung der Emission über dem Grenzbereich auf höchstens 1 zu erzeugen. Die hohe Verstärkung dieser filme reicht aus, um auch in Hohlräumen mit aktiven Regionen, die unter 500 nm dick sind, eine Laserfunktion zu erzeugen, Wodurch der Betrag an aktivem organischem Material, das für den Betrieb erforderlich ist, auf ein Mindestmaß beschränkt wird.
6 stellt einen Querschnitt einer Laserhohlraumstruktur 1100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Struktur ist eine aktive organische Materialschicht 1110 zwischen einer ersten Spiegelschicht 1111 und einer zweiten Spiegelschicht 1112 angeordnet, um auf diese Weise einen Hohlraum mit der Dicke t zu bilden. Das organische Material in der Schicht 1110 ist "aktiv", wobei es eine Laserfunktion ausübt, wenn es durch optische oder elektrische Mittel angeregt wird, um auf diese Weise Laserlicht zu erzeugen. Die ersten und zweiten Spiegelschichten 1111, 1112 reflektieren jeweils einen erheblichen Betrag an Licht, das durch die Schicht 1110 erzeugt wurde, so dass nur das kohärente Laserlicht durch die Schichten 1111, 1112 durchläuft, wobei das Laserlicht eine gewünschte Wellenlänge aufweist, und durch eine enge Bandbreite gekennzeichnet ist. Die ersten und zweiten Spiegelschichten 1111, 1112 reflektieren jeweils bevorzugt wenigstens 90%, eher bevorzugt 95% und am meisten bevorzugt 98% des Lichts, das durch das Anregen der Schicht 1110 erzeugt worden ist. Falls die ersten und zweiten Spiegelschichten 1111, 1112 im Wesentlichen denselben Prozentsatz an Licht reflektieren, der von der Schicht 1110 emittiert wird, ist das Durchlaufen des Lichts durch die erste und zweite Spiegelschicht 1111, 1112 im Wesentlichen gleich sein, wie in 6 dargestellt. Falls jedoch z.B. die zweite Spiegelschicht 1112 einen größeren Prozentsatz an Licht, als die erste Spiegelschicht 1111 reflektiert, erfolgt das Durchlaufen des Lichts hauptsächlich durch die erste Spiegelschicht 1111, vorausgesetzt, dass die Absorptionseigenschaften der ersten und zweiten Spiegelschichten gleichwertig sind.
7 stellt eine optisch angeregte OVCSEL-Struktur 1200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Eine erste Spiegelschicht 1111, eine Schicht eines aktiven organischen Materials 1110 und eine zweite Spiegelschicht 1112 sind auf einem im Wesentlichen transparenten Substrat 1113 angeordnet. Die Schicht des aktiven organischen Materials 1110 wird durch einfallende optische Pumpenergie 1115 angeregt. Die Quelle der optischen Pumpenergie (nicht dargestellt) kann jede geeignete Quelle an intensivem Licht sein, wie z.B. ein Stickstofflaser.
Die ersten und zweiten Spiegelschichten 1111, 1112 können aus jeden geeigneten reflektierenden Materialien oder Strukturen bestehen. Eine bevorzugte Struktur der ersten Spiegelschicht 1111 ist ein Stapel von dielektrischen DBR (distributed Bragg reflector)-Spiegeln. DBR-Spiegel sind gewerblich erhältlich und bestehen aus λ/4 dicken dielektrischen Schichten, wobei die Wellenlänge des reflektierenden Sperrbereichs des DBR-Spiegels darstellt. Auf diese Weise liefern die DBR-Spiegel die Fähigkeit, das OVCSEL-Ausgabespektrum zu regeln, was wiederum zu einer Verengung der Linienbreite einer solchen Ausgabe führt. DBR-Spiegel sind typischerweise durch Reflexionsvermögen über 99% gekennzeichnet. Der zweite Spiegel 1112 ist bevorzugt ein DBR-Spiegel oder eine Schicht eines reflektierenden Metalls oder Legierung, wie z.B. Silber, Platin, Aluminium, Magnesium-Aluminium-Legierung, oder deren Kombinationen. Metallspiegel weisen typischerweise Reflexionsvermögen von über 90% auf, absorbieren jedoch mehr Licht, als die DBR-Spiegel. Wenn der zweite Spiegel 1112 ein Metall umfasst, enthält die OVCSEL-Struktur 1200 bevorzugt eine organische Pufferschicht 1114, um ein Ab schrecken des organischen Materials in der Schicht 1110 an der organischen/metallischen Schnittstelle zu der Schicht 1112 zu reduzieren. In der in 7 dargestellten Ausführungsform liegt die Kombination von Reflexionsvermögen und Absorption der zweiten Spiegelschicht 1112 höher, als die der ersten Spiegelschicht 1111, was zu einer Laseremission 1116 durch die erste Spiegelschicht 1111 führt.
Das Substrat 1113 kann jedes geeignete transparente Substrat sein, wie z.B. Quarz, Glas, Saphir oder Kunststoff. Das Substrat 1113 ist auf die Materialien beschränkt, die für die Wellenlängen der einfallenden optischen Pumpenergie und das durch Schicht 1110 produzierte Laserlicht transparent sind.
Bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das aktive organische Material Host- und Dpantmolekühle. Die an die Schicht 1110 übermittelte Pumpenergie wird durch das Hostmolekühl absorbiert und durch einen Dipol-Dipol-Übergang ohne Strahlung an das Dopantmolekühl übertragen. Damit dies stattfinden kann, sollte das Emissionsspektrum des Hosts das Absorptionsspektrum des Dopanten überlappen. Die daraus entstehende, effiziente „Förster"-Energieübertragung erfordert lediglich eine geringe Konzentration von Dopantmolekühlen, was wiederum zu einer Reduzierung des Lasergrenzbereichs führt, die Lasereffizienz erhöht und die Betriebszeit verlängert. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Hostmaterialien werden aus beliebigen Materialien ausgewählt, die eine gute Ladungsbeförderung bereitstellen und in der Lage sind, Energie an ein Dopantmaterial über eine Förster-Energieübertragung oder einen Fangträger zu übertragen. Weiterhin muss die Energieübertragungsrate an den Dopanten schneller sein, als die Rekombination ohne Strahlung in dem Host. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Dopantmaterialien sind jegliche hocheffizienten, leuchtenden Molekühle, die eine Lumineszenz-(Laser-)Emission im selben spektralen Be reich wie die Transparenzregion des Host-:Dopantsystems aufweisen. In Tabelle I werden Beispiele für Host-/Dopantsysteme zur Verwendung als ein aktives organisches material in der vorliegenden Erfindung sowie einige ihrer zugehörigen Lasereigenschaften aufgezeigt. Die Formeln der als DCM (Exciton Inc., Dayton, Ohio, USA) bekannten Chemikalien Alq₃, CBP, DCM2 (Exciton Inc, Dayton, Ohio, USA), Rhodamin-6G, Coumarin-47, Perylen und Pyrromethen-546 werden jeweils in 8A–8H dargestellt. Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten organischen Materialien werden durch eine beliebig geeignete Methode abgelagert, wie z.B. durch thermische Vakuumverdampfung.
Tabelle I.
Die vorliegende Erfindung enthält Ausführungsformen, in welchen die Laseremission auf eine spezifische Wellenlänge abstimmbar ist. 9 stellt ein Beispiel eines optisch angeregten, abstimmbaren OVCSELs 1250 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform verändert sich die Dicke t der Schicht 1110 des aktiven organischen Materials monoton von der linken Kante 1117 zur rechten Kante 1118 der Struktur.
Bei einer alternativen Ausführungsform verändert sich die dicke der Schicht 1110 schrittweise für die Emission der diskreten Wellenlängen. Durch die Veränderung der Dicke des OVCSEL-Hohlraums, ist die Emissionswellenlängen um bis zu 50 nm oder mehr abstimmbar aufgrund des breiten Verstärkungsspektrums des Lasermaterials in der Schicht 1110. Eine solche Dickenvariation wird z.B. durch das Maskieren des Substrats mit einer gleitenden Lochmaske während dem Wachstum der Schicht 1110 erreicht. Als Alternative kann eine effektive Dickenvariation durch das Neigen des Substrats in Bezug auf eine Pumpstrahlenquelle erreicht werden. Das abstimmbare OVCSEL wird durch einen Pumpstrahl 1115 angeregt, was zu einer Erregung des aktiven organischen Materials der Schicht 1110 an einem Punkt Xo führt, welcher sich in einer Entfernung d von der rechten Kante 1118 befindet. Die Wellenlänge der Laseremission 1116 ist eine Funktion der Hohlraumdicke t und des Index des organischen Materials in der Schicht 1110. Durch das Verändern der Position von Punkt Xo wird ein anderer Abschnitt der OVCSEL-Struktur 1250 (mit einer verschiedenen Dicke t) durch einen Pumpstrahl 1115 erregt, was zu einer verschiedenen Wellenlänge der Emission 1116 führt. Das Verändern der Position von Xo durch Variation d wird z.B. dadurch erreicht, dass die OVCSEL-Struktur 1250 bewegt wird, die Position oder der Winkel des Pumpstrahls 1115 bewegt wird, oder beide. Als ein Beispiel haben die Erfinder die Laseremission eines optisch angeregten Alq₃:DCM-Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung von 598 nach 635 nm verändert, indem die Dicke der Schicht 1110 von 430 nach 500 nm verändert wurde.
10 stellt eine elektrisch angeregte OVCSEL-Struktur 1300 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Eine erste Spiegelschicht 1111, eine Schicht eines aktiven organischen Materials 1110 (das Unterschichten 1110a, 1110b und 1110c umfasst) und eine zweite Spiegelschicht 1112 sind auf einem im Wesentlichen trans parenten Substrat 1113 angeordnet. Falls die ersten und zweiten Spiegelschichten 1111, 1112 nicht in der Lage sind, als Elektroden zu fungieren, oder als Alternative – falls separate Elektroden bevorzugt werden, wird eine erste Elektrode 1120 zwischen der ersten Spiegelschicht 1111 und der Schicht eines aktiven organischen Materials 1110 angeordnet und eine zweite Elektrode 1121 wird zwischen der Schicht eines aktiven organischen Materials 1110 und der zweiten Spiegelschicht 1112 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ist das organische Material in der Schicht 1110 elektrolumineszierend, sodass es angeregt wird, um Laserlicht zu erzeugen, wenn elektrischer Strom durch diese hindurch läuft. Wie bereits gemäß dem Stand der Technik bekannt, besteht das organische Material in der Schicht 1110 (und in allen anderen elektrisch angeregten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung) typischerweise aus drei Unterschichten: Eine Leerstellen befördernde Schicht "HTL" (hole transporting layer) 1110a, einer aussendenden Schicht „EL" (emissive layer) 1110b und einer Elektronen befördernden Schicht „ETL" (electron transporting layer) 1110c. Erste und zweite Elektroden 1120, 1121 (in der in 10 dargestellten Ausführungsform, wobei es sich bei den ersten und zweiten Elektroden um jeweils eine Anode, bzw. eine Kathode handelt) sind im Wesentlichen transparent für das durch die Schicht 1110b abgegebene Licht und umfassen bevorzugt Indium-Zinn-Oxid oder ein anderes beliebiges transparentes, leitfähiges Material.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mehrfache elektrisch angeregte OVCSEL-Strukturen in einer gestapelten Anordnung, wie in 11 dargestellt, zur Emission von Laserlicht in verschiedenen Farben platziert. Die gestapelte Anordnung 1350 enthält die Struktur 1300, wie in 10 dargestellt, enthält jedoch ebenfalls eine dritte Spiegelschicht 1211, eine dritte Elektrode 1220, Unterschichten 1210a, 1210b und 1210c (entsprechend den HTL, EL, bzw. ETL-Schichten) eines zweiten aktiven organischen Materials, eine vierte Elektrode 1221 und eine vierte Spiegelschicht 1212, wie in 11 dargestellt. Wie bei der OVCSEL-Struktur 1300 sind die Elektroden 1120, 1121, 1220 und 1221 nur dann in der gestapelten Anordnung 1350 erforderlich, wenn die entsprechenden Spiegelstrukturen 1111, 1112, 1211 und 1212 nicht als Elektroden fungieren können, oder als Alternative, falls Elektroden bevorzugt werden, die separat von den Spiegelstrukturen sind. Obwohl nur zwei OVCSEL-Strukturen in der gestapelten Anordnung 1350 dargestellt sind, enthält die vorliegende Erfindung Ausführungsformen, in welchen drei oder mehr OVCSEL-Strukturen in einer einheitlichen Struktur gestapelt sind. Das Stapeln von OVCSEL-Strukturen erleichtert die Laserfunktion von mehreren Farben, jede von einem entsprechenden OVSEL allein oder in jeder beliebigen Kombination.
Die vorliegende Erfindung enthält elektrisch angeregte OVCSELs, die auf spezifische Wellenlängen abstimmbar sind. 12 stellt ein Beispiel eines solchen abstimmbaren OVCSELs 1351 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Wie bei dem optisch angeregten, abstimmbaren OVCSEL 1250 beschrieben, lässt sich die Laseremissionswellenlänge des OVCSEL 1351 durch das Variieren der Dicke t des OVCSEL-Hohlraums abstimmen. Die Variation in t wird durch das Regeln des Abstands t1 zwischen der zweiten Elektrode 1121 und der zweiten Spiegelschicht 1112 erreicht. Der Abstand t1 wird durch die kontrollierte Bewegung der zweiten Spiegelschicht 1112 in Richtung zur, oder weg von der zweiten Elektrode 1121 variiert, oder umgekehrt. Eine optische Linse 1130 ist zwischen der zweiten Elektrode 1121 und der zweiten Spiegelschicht 1112 angeordnet, um die Variation in t1 zu ermöglichen, ohne die Kontrolle des aus der Schicht 1110b abgegebenen Laserlichts zu verlieren.
Sämtliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten wahlweise Führungs- und Umhüllungsschichten um die organischen Schichten herum, um dabei behilflich zu sein, Wellenleiterverluste auf ein Mindestmaß zu beschränken. Optische Wellenleiterverluste in organischen Schichten mit einer Dicke von 150 nm sind oft bis zu 1000 cm^–1 oder mehr hoch, wo Metallelektroden in elektrolumineszierenden Geräten eingesetzt werden. Eine Struktur 1400, wie in 13 dargestellt, wird verwendet, um solche Verluste auf ein Mindestmaß zu beschränken. Die Struktur 1400 enthält Führungsschichten 1161 und 1162, die sich in unmittelbarer Nähe zu der/den organischen Schicht(en) 1110 befinden, bzw. Umhüllungsschichten 1160 und 1163, die sich in unmittelbarer Nähe zu den Führungsschichten 1161 und 1162 befinden. Wie bereits gemäß dem Stand der Technik bekannt und bereits diskutiert worden ist, falls eine Schicht 1110 ein elektrolumineszierendes Material umfasst, kann es tatsächlich mehrfache Unterschichten (z.B. HTL-, TL- und ETL-Schichten) umfassen. Die Führungsschichten 1161, 1162 sind hochtransparent, um optische Verluste auf ein Mindestmaß zu beschränken und sind durch einen hohen Brechungsindex gekennzeichnet. Die Umhüllungsschichten 1160, 1163 sind ebenfalls transparent, verfügen jedoch über einen niedrigeren Brechungsindex, als die Führungsschichten 1161, 1162. Die Umhüllungsschichten 1160, 1163 haben ebenfalls im Allgemeinen höhere Leitfähigkeiten, als die Führungsschichten 1161, 1162, da einer der Hauptzwecke der Umhüllungsschichten 1160, 1163 das Leiten von elektrischem Strom umfasst. Die Struktur 1400 reduziert die Begrenzung des in der/den organischen Schicht(en) 1110 abgegebenen Lichts, wodurch optische Verluste auf bis zu 10 cm^–1 oder weniger reduziert werden. Die Struktur 1400 wird optisch mit einer der beliebigen optisch oder elektrisch angeregten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet. Wenn sie z.B. mit der optisch angeregten Ausführungsform 1200 der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ersetzt die Struktur 1400 die Schicht des aktiven organischen Materials 1110 in 7. Auf gleiche Weise, wird sie mit der elektrisch angeregten Ausführungsform 1300 verwendet, ersetzt die Struktur 1400 die Unterschichten 1110a, 1110b und 1110c, sodass die Struktur 1400 zwischen den Elektroden 1120 und 1121 liegt. Wird sie mit der elektrisch angeregten Ausführungsform verwendet, müssen die Führungs- und Umhüllungsschichten 1160, 1161, 1162, 1163 ausreichend leitfähig sein, um Ladungsträger an die leitfähige(n) Schicht(en) 1110 von den Elektroden 1120, 1121 bereitzustellen. Es wird jedoch bevorzugt, dass die Leitfähigkeit der Führungsschichten 1161, 1162 niedriger liegt, als die der Umhüllungsschichten 1160, 1163, die eine Leitfähigkeit von weniger als der der umgebenden Elektroden 1120, 1121 aufweist. Das bevorzugte Material für die Führungs- und Umhüllungsschichten 1160, 1161, 1162, 1163 ist Indium-Zinn-Oxid, dessen Brechungsindex, Leitfähigkeit und Transparenz variiert wird, z.B. durch das Variieren des Sauerstoffgehalts.
Die vorliegende Erfindung wird im Weiteren unter Bezugnahme der nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiele beschrieben.
BEISPIEL 1
Ein Lasergerät, wie in 1 dargestellt, wurde gebildet. Alq₃ und DCM (Molekularverhältnis von ungefähr 50 : 1) wurden zusammen unter einem Hochvakuum (5 × 10-Torr; 1 Torr = 1,33 Pa) auf einem Objektträger aus Glas verdampft. Die resultierende 3000 dicke Schicht 112 von Alq₃/DCM mit einem Brechungsindex (n) von 1,7 bildet einen Plattenwellenleiter mit Glas (n = 1,4) als eine Umhüllungsschicht an der einen Seite und Luft (n = 1) an der anderen Seite. Zusammen mit den reflektierenden Facetten 113, 114 der Schicht 112 bildet dieser Plattenwellenleiter einen optischen Resonator.
Ein Stickstofflaser 118, der mit Takten bei 500 psec bei einer Wellenlänge von 337 nm bei einer 50 Hz Wiederholungsrate arbeitet, wurde verwendet, um den optischen Pumpstrahl zu erzeugen. Eine laterale Begrenzung des optischen Verfahrens wurde durch eine Verstärkungsführung erreicht, die durch den optischen Pumpstrahl induziert wurde. Eine hellrote Laseremission von der Kante 113 war deutlich sichtbar. Eine Strahlenbeugung des Ausgabestrahls wurde schwach beobachtet. Der Laserausgabestrahl enthielt mehrere querlaufende Verfahren, die in die Richtung auseinander liefen, die orthogonal zur Geräteoberfläche liegt. Die Höchstintensität der roten Laseremission an den Ausgabefacetten beträgt 10⁸ W/cm² (entsprechend einer gemessenen Höchstleistung, die 30 W überschreitet) an der Pumpebene von 200 μJ/cm². Ein Energieverlust des Alq₃/DCM-Films wurde nach mehreren Betriebsstunden nicht beobachtet (was wenigstens 10⁶ Lasertakten entspricht). Dies ist ein Anzeichen dafür, dass die Alq₃/DCM-Filme einen hohen Grad an fotochemischer Stabilität genießen und zur Verwendung in elektrisch angeregten organischen Lasern bestens geeignet sind.
BEISPIEL 2
Ein Laser wurde durch Vakuumablagerung eines 120 nm Films gebildet, der Perylen-beschichtetes CBP enthält, auf die (100) kristallographische Oberfläche einer polierten InP ersten Spiegelschicht. Die erste Spiegelschicht wurde mit einer 2 μm Schicht aus SiO₂ vorbeschichtet, die durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung abgelagert wurde. Der Laser wurde optisch mit 500 psec Takten angeregt, die durch einen Sauerstofflaser bei λ = 337 nm bei einer 50 Hz Wiederholungsrate erzeugt wurden. Der Pumpstrahl wurde auf eine 50 μm breite Region auf dem organischen Film fixiert, um die Verstärkungsregion zu bilden.
14 stellt die Kantenemissionsspektren der optisch angeregten Laser bei den unten genannten Pumpebenen (4 nJ) und gerade über dem Grenzwertbereich (5 nJ) dar. Die Laserfunktion erscheint als eine spektral enge (2 nm, FWHM) Spitze bei λ = 485 nm. Die Einfügung in 14 stellt die Ausgabetaktenergie der Laser als eine Funktion der Pumptaktenergie an, wobei die Anwesenheit eines Lasergrenzwertbereichs bei einer Pumptaktenergie von 5 nJ deutlich angezeigt wird (was einer Energiedichte von 5 μJ/cm² entspricht). Weiterhin wies der Laser eine Betriebszeit von über 10⁵ Lasertakten auf.
BEISPIEL 3
Ein Laser wurde durch Vakuumablagerung eines organischen Films gebildet, der Coumarin-47-beschichtetes CBP enthält, auf die (100) kristallographische Oberfläche einer polierten InP ersten Spiegelschicht. Die erste Spiegelschicht wurde mit einer 2 μm Schicht aus SiO₂ vorbeschichtet, die durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung abgelagert wurde. Der Laser wurde optisch mit 500 psec Takten angeregt, die durch einen Sauerstofflaser bei λ = 337 nm bei einer 50 Hz Wiederholungsrate erzeugt wurden. Der Pumpstrahl wurde auf eine 50 μm breite Region auf dem organischen Film fixiert, um die Verstärkungsregion zu bilden.
Der optisch angeregte Laser resultierte in einer Laserwellenlänge von ungefähr 455 nm und einem Lasergrenzwertbereich von 15 μJ/cm². Weiterhin wies der Laser eine Betriebszeit in einem Bereich von 10³ Lasertakten auf.
BEISPIEL 4
Ein Laser wurde durch Vakuumablagerung eines organischen Films gebildet, der Coumarin-30-beschichtetes CBP enthält, auf die (100) kristallographische Oberfläche einer polierten InP ersten Spiegelschicht. Die erste Spiegelschicht wurde mit einer 2 μm Schicht aus SiO₂ vorbeschichtet, die durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung abgelagert wurde. Der Laser wurde optisch mit 500 psec Takten angeregt, die durch einen Sauerstofflaser bei λ = 337 nm bei einer 50 Hz Wiederholungsrate erzeugt wurden. Der Pumpstrahl wurde auf eine 50 μm breite Region auf dem organischen Film fixiert, um die Verstärkungsregion zu bilden.
Der optisch angeregte Laser resultierte in einer Laserwellenlänge von ungefähr 510 nm und einem Lasergrenzwertbereich von 13 μJ/cm². Weiterhin wies der Laser eine Betriebszeit in einem Bereich von 10² Lasertakten auf.
BEISPIEL 5
Ein Laser wurde durch Vakuumablagerung eines organischen Films gebildet, der DCM2-beschichtetes Alq₃ enthält, auf die (100) kristallographische Oberfläche einer polierten InP ersten Spiegelschicht. Die erste Spiegelschicht wurde mit einer 2 μm Schicht aus SiO₂ vorbeschichtet, die durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung abgelagert wurde. Der Laser wurde optisch mit 500 psec Takten angeregt, die durch einen Sauerstofflaser bei λ = 337 nm bei einer 50 Hz Wiederholungsrate erzeugt wurden.
Der optisch angeregte Laser resultierte in einer Laserwellenlänge von ungefähr 670 nm und einem Lasergrenzwertbereich von 2,5 μJ/cm². Weiterhin wies der Laser eine Betriebszeit von über 10⁶ Lasertakten und eine Differenzial-Quanteneffizienz von ungefähr 30% auf.
BEISPIEL 6
Ein Laser wurde durch Vakuumablagerung eines organischen Films gebildet, der DCM-beschichtetes Alq₃ enthält, auf die (100) kristallographische Oberfläche einer polierten InP ersten Spiegelschicht. Die erste Spiegelschicht wurde mit einer 2 μm Schicht aus SiO₂ vorbeschichtet, die durch eine plasmaverstärkte chemische Dampfablagerung abgelagert wurde. Der Laser wurde optisch mit 500 psec Takten angeregt, die durch einen Sauerstofflaser bei λ = 33,7 nm bei einer 50 Hz Wiederholungsrate erzeugt wurden.
Der optisch angeregte Laser resultierte in einer Laserwellenlänge von ungefähr 650 nm und einem Lasergrenzwertbereich von 3 μJ/cm². Weiterhin wies der Laser eine Betriebszeit von über 10⁶ Lasertakten und eine Differenzial-Quanteneffizienz von ungefähr 30% auf.
BEISPIEL 7
Als ein Beispiel der in 7 dargestellten Ausführungsform wurde ein OVCSEL 1200 gebildet, das eine aktive Schicht 1110 aus Tris(8-Hydroxyquinolin)Aluminium, („Alq₃") enthält und mit DCM-Laserfarbstoff beschichtet ist. Die Dicke der aktiven Schicht 1110 betrug 500 nm. Die Konzentration des DCM-Laserfarbstoffes in der Schicht 1110 betrug 3 Gew.-%. Die aktive Schicht 1110 wurde auf einer erste Spiegelschicht 1111 (in diesem Beispiel ein DBR-Spiegel) durch thermische Verdampfung bei 5 × 10^–7 Torr abgelagert. Die Pufferschicht 1114 umfasste Alq₃ und wurde über der aktiven Schicht 1110 abgelagert und eine silberne Spiegelschicht 1111 wurde über der Pufferschicht 1114 abgelagert. Die Dicke der Pufferschicht 1114 und der DBR-Spiegelschicht 1111 betrug 20 nm, bzw. 200 nm. Die DBR-Spiegelschicht 1111 wies einen zu > 99% reflektierenden Sperrbereich zwischen 600 nm und 700 nm auf, während das Reflexionsvermögen des Silberspiegels mit 91% berechnet war.
Das OVCSEL 1200 wurde mithilfe eines Stickstofflasers (λ = 337 nm) optisch angeregt, der 500 ps Takte bei einer 50 Hz Wiederholungsrate erzeugte. Der Pumpstrahl wurde so ausgerichtet, dass er durch den DBR-Spiegel 1111 einfiel und wurde auf einen Punkt etwa 100 m über der Oberfläche des organischen Films fixiert. Bei einer Wellenlänge des Erregungslasers (z.B. λ = 337 nm) wies der DBR-Spiegel 1111 eine Übertragung von etwa 80% auf. In diesem Beispiel umfasste das Substrat 1113 Quarz, welches für einen durch λ = 337 nm gekennzeichneten Pumpstrahl transparent ist.
Das Emissionsspektrum in der normalen Substratrichtung (bei einem Vollwinkel-Akzeptanzkonus von 15) wurde mit einem Spektrogramm unter Anwendung einer ladungsgekoppelten Gerätekamera bei einer Wellenlängenauflösung von 0,1 nm analysiert. Um einen Abbau an Material zu vermeiden wurden sämtliche Messungen in einer trockenen Stickstoffumgebung durchgeführt.
15 stellt ein spontanes Emissionsspektrum des OVCSEL 1200 gerade oberhalb des Lasergrenzwertbereiches dar. Ein Hohlraumverfahren wurde bei λ = 635 nm beobachtet. Bei λ = 600 nm und λ = 700 nm wird die spontane Emission durch die Modulation im DBR-Übertragungsspektrum gefiltert, was zu den beobachteten, breit gefächerten Satellitenspitzen führte. Das Spektrum über dem Lasergrenzwertbereich, der einer Energie von E_TH = 300 J/cm² entspricht, wird vollkommen von einer hohen verstärkten, spektral engen Laseremission, wie in 16 dargestellt, dominiert.
17 stellt die Hochauflösungs-Emissionsspektren von OVCSEL 1200 bei steigenden Erregungsebenen in der Nähe des Lasergrenzwertbereiches dar. Die Pumpenergien und die spektrale Vollbreite bei der Hälfte des Maximums sind angezeigt. Der Übergang von der 1,2 nm breiten spontanen Emissionsspitze, die durch den Mikrohohlraum unterhalb des Grenzwertbereiches spektral gefiltert wird, zu der auflösungsbeschränkten, < 0,1 nm Vollbreiten-Spektrallinie aufgrund der Laseremission über dem Grenzwertbereich wird deutlich beobachtet. Die spektrale Breite der Spitze unterhalb des Grenzwertbereiches steht in Bezug zu der Finesse (des Verhältnisses der Beabstandung des Mikrohohlraumverfahrens zu der Linienbreite eines Einzelverfahrens) des Mikrohohlraums, wobei eine zusätzliche Verbreiterung aufgrund der Anwesenheit von mehreren querlaufenden Verfahren auftritt. Die Verfahrenskonkurrenz über dem Grenzwertbereich grenzt die Laserfunktion nur durch ein paar der querlaufenden Verfahren ab, was zu einer begleitenden Reduzierung der Emissionslinienbreite führt. Die linke Einfügung in 17 stellt eine (0,4 ± 0,1) breite Emissionslinie eines OVSEL mit einer Hohlraumdicke von 475 nm dar. Bei Berücksichtigung der (0,2 ± 0,1) Instrumentenauflösung wird das Gauß'sche Vollbreite bei der Hälfte des Maximums der Laserlinie bei (0,2 ± 0,1) berechnet.
18 stellt die Abhängigkeit der Laserausgabeleistung bei Eingabeerregung dar, was deutlich einen Grenzwertbereich bei einer Pumpenergiedichte von E_TH = 300 J/cm² anzeigt. Dieser Grenzwertbereich liegt um zwei Größenordnungen höher, als der für ähnliche Kanten-abgebenden organischen Halbleiterlasern als eine Konsequenz von höheren optischen Verlusten in der Mikrohohlraum-Struktur (500 cm^–1) und einer kurzen Verstärkungslänge (500 nm). Die Alq₃:DCM Materialverstärkung bei einem Grenzwertbereich in den OVCSELs wird mit g_TH = 500 cm^–1 geschätzt, was mit der internen Verstärkung in InGaAs/GaAs Quantenlochstruktur vergleichbar ist.
Die Laser der vorliegenden Erfindung sind auf eine breite Vielzahl von Anwendungen anwendbar, einschließlich der Telekommunikation, dem Drucken, der optischen Abwärtsumsetzung, dem Ätzen von Halbleiterstromkreisen, der thermischen Bearbeitung (z.B. Markieren, Löten und Schweißen), der Spektroskopie, der Fahrzeugkontrolle und -navigation, der Messeinrichtungen, der optischen Speichergeräte, Displays, Scannern, Pointern, Spielen und Unterhaltungssystemen und Sensoren.
Die vorliegende Erfindung sieht organische Laser mit den gewünschten Eigenschaften vor, wie z.B. einer engen Bandbreitenemission, der minimalen Verwendung von aktiven organischen Materialien und der Ermöglichung von Wellenlängenabstimmung und der elektrischen Anregung. Die Vertikalhohlraum-Oberflächen abgebenden Strukturen gemäß der vorliegenden Erfindung stellen die erste bekannte, erfolgreiche Darlegung einer Laseraktivität in einer organischen Halbleiter-Mikrohohlraum-Struktur mit einem geringen molekularen Gewicht dar, die mit einem deutlichen Grenzwertbereich an Ausgabeleistung, einem gut definierten Laserstrahl, Hohlraumverfahren und einer spektralen Linienverengung der Emission über dem Grenzwertbereich auf höchstens 0,1 nm assoziiert ist. Fachleute sind in der Lage verschiedene Modifikationen der Ausführungsformen der hier beschriebenen und dargestellten Erfindung zu erkennen. Solche Modifikationen sollen durch die beigefügten Ansprüche behandelt werden.

Claims

Ein organischer Laser, umfassend: – eine erste Spiegelschicht (110), die kein Substrat ist, – eine Schicht (112) eines ersten aktiven organischen Materials über der ersten Spiegelschicht (110), wobei das erste aktive organische Material zwei reflektierende Facetten (113, 114) einschließt, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind und auf diese Weise einen optischen Resonator in der Schicht (112) des ersten aktiven organischen Materials bilden, und – eine Pumpeinrichtung (118), wobei – das erste aktive organische Material Laserstrahlung abgibt, wenn es durch die Pumpeinrichtung (118) zur Erzeugung von Laserlicht (116) angeregt wird, und – die erste Spiegelschicht (110) wenigstens einen Teil des durch das erste aktive organische Material erzeugten Lichts reflektieren kann.
Ein Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spiegelschicht (110) einen Brechungsindex hat, der kleiner als der Brechungsindex des ersten aktiven organischen Materials ist.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spiegelschicht (110) einen Stapel von dielektrischen DBR(distributed Bregg reflector)-Spiegeln umfasst.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spiegelschicht (110) InP umfasst.
Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste organische Material auf der (100) kristallographischen Ebene des InP aufgebracht ist.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Umhüllungsschicht (111) zwischen der ersten Spiegelschicht (110) und der Schicht (112) des ersten aktiven organischen Materials umfasst, wobei die Umhüllungsschicht (111) ein Material mit einem Brechungsindex umfasst, der kleiner als der Brechungsindex des ersten aktiven organischen Materials ist.
Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungsschicht (111) Silikondioxid umfasst.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (112) des ersten aktiven organischen Materials ein organisches Hostmaterial umfasst, das mit einem Dopantmaterial beschichtet ist.
Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Hostmaterial aus der Gruppe von Tris(8-Hydroxyquinolin)Aluminium, CBP sowie Kombinationen davon ausgewählt ist.
Laser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dopantmaterial aus der Gruppe von Rhodamin-6G, DCM, DCM2, Coumarin-30, Coumarin-47, Perylen, Pyrromethen-546 sowie Kombinationen davon ausgewählt ist.
Laser nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrolumineszierende Spektrum des Hostmaterials und das Absorptionsspektrum des Dopantmaterials sich überlappen.
Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (118) eine Quelle für optische Pumpenergie umfasst, um das erste aktive organische Material anzuregen.
Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle optischer Pumpenergie einen Nitrogenlaser umfasst.
Laser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (112) des ersten aktiven organischen Materials in der Dicke variiert, und dass die Wellenlänge des Laserlichts, das durch Anregung des ersten aktiven organischen Materials erzeugt wird, an der Stelle eine Funktion der Dicke der Schicht (112) des ersten aktiven organischen Materials ist, wo die optische Pumpenergie die Schicht (112) des ersten aktiven organischen Materials anregt.
Eine Vorrichtung, die einen Laser nach Anspruch 1 einschließt, wobei die Vorrichtung aus der Gruppe von Telekommunikationsgeräten, Druckern, optischen Geräten, Geräten zum Ätzen von Halbleiterstromkreisen, Geräten zur thermischen Bearbeitung, spektroskopischen Geräten, Fahrzeugkontrolleinrichtungen, Fahrzeugnavigationseinrichtungen, Messeinrichtungen, optischen Speichergeräten, Displays, Scannern, Pointern, Spielen, Unterhaltungssystemen und Sensoren ausgewählt ist.