苏格兰圣安德鲁斯大学的研究人员制造了第一台不需要单独光源即可操作的有机半导体激光器——事实证明，这极具挑战性。新型全电驱动激光器比以前的设备更紧凑，并在电磁波谱的可见光区域工作。因此，其开发人员表示，它可能会在传感和光谱学等应用中发挥作用。
激光器的工作原理是，光在由夹在两个反射镜之间的增益介质组成的光学腔中来回反射光。当光在反射镜之间来回反射时，增益介质会放大它，刺激更多光的发射，并产生光谱范围非常窄的相干光束。
1992 年，第一台有机激光器问世。然而，该激光器使用单独的光源来驱动其增益介质，这使其设计复杂并限制了其应用。从那时起，研究人员一直试图找到一种方法来制造一种有机激光器，该激光器仅使用电场来驱动它，但没有成功。“因此，在过去的30年里，这一直是该领域的一个巨大挑战，”物理学家Ifor Samuel解释说，他与圣安德鲁斯的同事Graham Turnbull共同领导了这项新研究。
首先，打破世界纪录
Samuel解释说，设计电驱动的有机激光器有两种主要策略。第一种是在有机激光增益介质上放置电触点并通过它们注入电荷。然而，以这种方式制造激光器是很困难的，因为注入的电荷通过所谓的三重态吸收材料发光光谱中的光。触点本身也会吸收光。“由于激光器需要增益才能超过损耗，因此这种光吸收是一个巨大的障碍，”Samuel说。
在《自然》杂志上详细介绍的这项新研究中，研究人员以第二种方式解决了这个问题：通过在空间上将电荷，三元组和触点与激光增益介质保持距离。然而，做到这一点也不是一件容易的事，因为这意味着他们需要制造一个具有世界纪录光输出强度的脉冲蓝色有机发光二极管来驱动增益介质。然后，他们需要找到一种方法，将所有OLED的光耦合到激光器中，激光器由一层发出绿光的半导体聚合物制成。
“为了制造这种设备，我们最初分别制造了OLED和激光腔，然后将OLED转移到只有几微米厚度的基板上，到激光波导的表面上，”他说。“这两个部分的仔细集成对于增益介质获得OLED内部产生的强电致发光至关重要。
为了完成设计，该团队在薄膜激光器中使用衍射光栅，在薄膜平面上提供受激发光发射的分布式反馈，同时衍射来自表面的输出激光束。
缓慢的技术加速
有机半导体器件被广泛认为是一种“慢速”技术，因为有机材料中的电荷迁移率通常比硅或III-V族晶体半导体低几个数量级。然而，特恩布尔认为，该团队的创新可能会开始改变这种看法。“我们的工作正在将这些材料推向一个非常快速和密集的操作方案，”他告诉《物理世界》。
至于应用，研究人员表示，新的全电有机半导体激光器将直接集成到使用基于光的传感和光谱学来诊断疾病或监测症状的即时医疗设备中。“电动驱动消除了对单独光源来泵浦它们的需求，这应该会扩大潜在的应用，”特恩布尔说。
然而，还有进一步的工作要做，以优化新激光器的输出功率和效率，并扩大其在可见光谱中的光输出。“该领域的下一个重大挑战将是制造连续波有机半导体激光器，这将需要进一步控制麻烦的三重体种群，”特恩布尔总结道。
