有机半导体分布反馈激光器阵列的制备研究

All-plastic lasers with a wide tuning range and ease for integration are appealing to the realization of flexible photonic integration circuits. Although the field of mircolasers based on organic semiconductor thrives in the last ten yeas, there remains problems such as limited tunable wavelength range, low working stability and complex wavelength tuning techniques. In this project, we try to solve these problems by fabricating organic semiconductor distributed feedback laser arrays on flexible substrates. We also plan to employ cheap LEDs as the pumping source as the working threshold of organic semiconductor lasers can be ultra-low. By properly blending different gain media, output lasing wavelength could cover the whole visible range while only one pumping source is employed. The laser array will be realized by our pixelated interferometric lithography system, with research emphasis on: (1) the influence of grating depth, size and the thickness of each waveguiding layer on the working characteristics of the distributed feedback lasers; (2) the influence of composition and processing techniques on the optical gain properties of the blended organic semiconductor medium. The plastic microchip with the organic laser array could be placed separately from the pumping source and other optical components, thus the problem of limited working lifetime of organic lasers will be conveniently solved by the substitution of the cheap plastic chip.

宽调调谐、易于集成、操作简便的全有机激光器件对于柔性光电子电路的实现有着极其重要的意义。现有的可调谐有机分布反馈激光器存在调谐范围小、性能不稳定、需要多个泵浦激光器的问题。在本项目中，我们准备通过在柔性衬底制作有机分布反馈激光器阵列来解决上述问题。将采用廉价的发光二极管作为泵浦源，降低整个系统的成本和复杂性，同时利用Foster能量转移机制，一个泵浦源就可以激发出红绿蓝不同谱段的激光。拟采用拥有自主产权的像素型干涉光刻系统制作亚波长光栅阵列，然后通过紫外纳米压印转移到柔性衬底。将研究：（1）光栅深度、占空比、增益介质厚度、像素尺寸对激光器阈值及斜率效率的影响；（2）混合增益介质中材料种类、配比以及处理方式对于增益谱范围和增益系数的影响。聚合物芯片仅包含了亚波长光栅阵列及有机半导体发光层，与泵浦源及光学元件独立开来，可以通过简单替换来解决工作寿命的问题。

微腔激光器，是优秀的光源，有着易于集成、工作阈值低、单色性好的优点，是实现集成光子芯片的重要组件。有机半导体增益材料有着柔性、宽谱增益、高增益系数及成本低廉的优点，有望实现低成本、低阈值、良好方向性、波长可调的微腔激光器阵列，相关研究结果对于光子芯片在光谱分析及光学传感领域的推进，有着重要意义。本项目提出利用连续变频点阵干涉光刻设备制作有机半导体布拉格反射腔激光器阵列，主要的研究内容包括：基于Forster能量转移的有机半导体宽谱增益材料的研究；平面可集成有机半导体布拉格反射腔激光器的制作及性能优化；微腔有机半导体激光器阵列的制作研究；基于有机半导体激光器阵列的微流控光学传感器的研究。取得的主要成果包括：（1）获得了可以被同一泵浦源激发，覆盖可见光谱的高增益材料；（2）制作了平面分布布拉格腔有机半导体激光器，有着低阈值（<1kW/cm2）、方向性好（垂直样品出射衍射受限圆斑）及平面集成的优点。（3）基于连续变频点阵干涉光刻装备，制作了分布布拉格腔激光器阵列，出射激光波长可在蓝光440nm-470nm，绿光490nm-520nm和红光600nm-640nm范围内调控，调制精度达到1nm；（4）基于有机半导体激光器阵列，制作了微流控光学传感器，有着高分辨、高灵敏及实时探测的优点，对葡萄糖溶液扩散过程进行了实时监控；（5）发表SCI二区及以上论文9篇，申请专利2项，获得授权1项。本项目在国家自然基金的资助下，进展顺利，对于有机半导体激光器的增益介质、亚波长谐振腔的制作工艺、谐振腔结构及微流控集成技术等方面，取得了一些进展，对集成光子芯片的发展和应用起到积极的推动作用。