Laser mit einem organischem Emittermaterial und verteilter Rückkopplung
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser aus einem organischem Emittermaterial und verteilter Rückkoppelung.
Stand der Technik
Aus einer Reihe von Artikeln ist es bekannt, daß konjugierte Polymerschichten zu stimulierter Emission fähig sind.
Hierzu wird exemplarisch auf folgende Artikel verwiesen:
- „Kooperative Emission in π-konjugierten dünnen Polymerfilmen", von S.V. Frolov et al., erschienen in „Physical 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.
BES IGUNGSKOPIE
Ferner sind Laser, bei denen das Lasermaterial kein organisches Material ist, bekannt, die mittels verteilter Rückkoppelung einen großflächigen Laserstrahl erzeugen.
Praktisch vollständig aus einem organischen Material bestehende 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 Herstellung von Lasern mit verteilter Rückkoppelung eignen, da sich das organische Material einfach großflächig und in beliebigen Formen herstellen läßt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser mit einem organischen Emittermaterials und verteilter Rückkoppelung anzugeben, der einfach aufgebaut ist, und der auf die verschiedensten Arten angeregt werden kann.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 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 chemischen Pumpen des Emittermaterials, bei dem im Emittermaterial geführte Wellenleitermoden existieren, und die Laserstruktur periodisch räumlich moduliert ist.
Die Erfindung geht dabei von folgendem Grundgedanken aus:
Ein zu stimulierter Lichtemission fähiges organisches Material (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 Emittermaterials mit Grenzschichten in Kontakt stehen.
Insbesondere kann eine Grenzschicht ein Substrat sein, auf das die aktive Schicht aufgebracht ist. Das Aufbringen der dünnen Schicht kann dabei in der in der Kunststofftechnik üblichen Weise erfolgen, nur beispielhaft sollen „Spinnen", Coaten, Rakeln oder Aufdampfen genannt werden.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich, ein Einschichtsystem zu verwenden, bei dem die geführten Wellenleitermoden beispielsweise durch Dotieren des Kunststoffmaterials oder Wellenleitung gegen Luft erreicht werden.
Als Emittermaterial kommen die verschiedensten Materialien in Betracht:
Beispielsweise kann das Emittermaterial aus einem oder mehreren konjugierten Polymeren besteht, wie sie insbesondere in dem einleitend genannten Stand der Technik beschrieben 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 mehreren Flüssigkristallschichten bestehen, in die das laserfähige organische Material eingelagert ist.
Eine solche Schicht hat den Vorteil, daß die emittierenden Zustände ausrichtbar sind. Damit kann die Polarisation des emittierten Lichts gesteuert werden. Dies ist besonders 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 Wellenleitermoden gibt, die Licht in der Filmebene transportieren. Dies kann u.a. durch folgende Möglichkeiten erreicht werden:
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 geführt wird.
Metallisch beschichtete obere Grenzfläche, so daß das Licht auf der oberen Grenzfläche durch metallische Reflexion 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 geeigneter Wahl der Modulationsperiode, das Licht so zurückgekoppelt, daß innerhalb der Anordnung Laserlicht (mit der gewünschten Wellenlänge) entsteht. Das Laserlicht 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 Mehrschichtaufbau und/oder das Emittermaterial einen Mehrschichtaufbau hat.
Die periodische Modulation der Laserstruktur kann dadurch erreicht werden, daß die Grenzschicht und/oder das Emittermaterial periodisch räumlich moduliert sind. Dabei kann sich die Modulation in Richtung der Flächenausdehnung des Emittermaterials erstrecken.
Insbesondere kann das Emittermaterial periodisch moduliert im Brechungsindex oder in der lokalen Verstärkung sein. Die Rückkopplung erfolgt durch Beugung im periodisch 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 Ver-
Stärkung 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 Flächenerstreckung des Emittermaterials gebildet werden. Darüberhinaus ist es möglich, daß der Realteil des Brechungsindex in wenigstens einer Grenzschicht und/oder im Emittermaterial räumlich variiert. Auch ist es möglich, die Materialeigenschaften mittels holographischer Methoden geeignet zu ändern.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist wenigstens eine Grenzschicht und/oder das Emittermaterial eine räumliche Strukturierung auf. Auch kann die Doppelbrechung 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-Verstärkung 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 Fraunhofer-Gesellschaft / ISE entwickelt worden. Dadurch ist die Herstellung flexibler Laserbauelemente möglich. Die Rückkopplung erfolgt dann durch Beugung an mindestens der Grenzfläche zwischen
dem Substrat und dem Emittermaterial. Weiterhin kann auch eine Trennung der aktiven Emitterschicht, die Laserlicht aussendet, von der periodisch strukturierten Schicht erreicht werden, so daß die strukturierten Teile der Probe als Reflektor für das in der aktiven Zone emittierte Licht wirken.
Weiterhin ist es möglich, die Volumendichte der angeregten Emittermoleküle, die Volumendichte der lokalen Orientierung der Emittermoleküle in der aktiven Schicht und/oder der nichtstrahlenden Rekombinationszentren der Akzeptormoleküle oder die Restabsorption zu variieren. Zusätzlich oder alternativ können die Transporteigenschaften der aktiven Schicht, der Kontaktschichten oder der Zuführungsschichten räumlich moduliert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung strukturierter elektrischer Kontakte und/oder in der Beugung an den Kontakten.
Das Pumpen des Emittermaterials kann auf die verschiedensten 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 Vielfachschicht integrierte Leuchtdiode.
Elektrisches Pumpen des Emittermaterials durch Metallelektroden oder transparente Elektroden, wie beispielsweise 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 Transportschichten 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, Scannern und in der Beleuchtungstechnik breite Anwendung finden. Aufgrund der kleinen Wellenlänge werden z.B. bei Datenspeichern hohe Speicherdichten bzw. Auflösungen erreicht. Die gerichtete Strahlung könnte auch in anderen Bereichen Eingang finden, die bislang roten Laserdioden vorbehalten ist, wie z.B. Laserpointem.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, Laserquellen unter alleiniger Verwendung von organischen Materialien (abgesehen von evtl. verwendeten Metallschichten) herzustellen, einen Kunststofflaser. Insbesondere die am ISE der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelte Technik, Kunststoffolien 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 Aufschleudem einer Polymerschicht oder Aufdampfen von niedermolekularen Emittermaterialien.
Eine Besonderheit der organischen Materialien ist, daß sie großflächig aufgebracht werden können. Dies ermöglicht die Erstellung von Laserbauelementen, die großflächig spektral enge und kohärente Strahlung in einem engem Richtungsbereich emittieren können.
Durch ein Aufbringen der aktiven Filme auf ein Kunststoffsubstrat wird ein mechanisch flexibles System möglich, 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben,, auf die im übrigen hinsichtlich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels, bei optisch gepumpt wird,
Fig. 2 das Emissionsintensität als Funktion der Wellenlänge in Abhängigkeit von der Pumpenergie Ep
Fig. 3 die Ausgangsleistung als Funktion der Pumpenergie Ep, und
Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem elektrisch gepumpt wird.
Darstellung von Ausführungsbeispielen
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lasers.
Ein Film 1 aus einem Poly(p-phenyl)Polymer vom sogenannten Ladder- (Leiter)-Typ, der als Lasermaterial dient, ist auf ein Kunststoffsubstrat 2 mit einer periodischen Höhenmodulation aufgebracht. Die Dicke des Films 1 beträgt ca. 300 nm. Das Kunststoffsubstrat 2 mit einer periodischen Höhenmodulation wirkt als Bragg-Reflektor, der eine räumlich verteilte Rückkopplung für die induzierte Emission bewirkt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Film mit einer Repetitions- rate von 1 kHz und einer Pulsdauer von 100 fs mit Licht der Wellenlänge 400nm optisch gepumpt. Der Strahl des Pumplasers ist auf den Film 1 mit einem Spotdurchmesser von etwa 500 =m fokussiert.
Figur 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 Pumpenergie Ep bei Raumtemperatur. Bei Pulsenergien des Pumplasers von mehr als ca. 1 ,5 nJ zeigt sich ein Schwellenverhalten: Es erscheint ab dieser Pulsenergie eine schmale Laserlinie mit einer Linienbreite von etwa einem nm.
Figur 3 zeigt die Ausgangsleistung als Funktion der Pumpenergie 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 dünne Schicht 3 aus Aluminium aufgebracht, auf die ein Polymer 4 mit Lochtransporteigenschaften aufgebracht ist. Auf diesem Polymer 4 befindet sich der Film 1 aus laserfähigem organischem Material, das wiederum beispielsweise Poly(p-phenyl)Polymer vom sogenannten Ladder-(Leiter)-Typ sein kann.
Auf dem Film 1 ist ein Polymer 5 mit Elektronentransporteigenschaften aufgebracht, auf das eine lichtdurchlässige Metallschicht 6, die beispielsweise aus ITO besteht, aufgebracht ist. Selbstverständlich kann die Schicht 6 auch eine Gitter- bzw. Netzstruktur haben, so daß das Laserlicht durch die „Löcher" in der Struktur ausgekoppelt wird.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Brechungsindex 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 Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens beschrieben worden.