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有机激光器的研究进展姓名：姚兰前 学号：1016061524 导师：赖文勇教授指导老师：张新稳摘要：自20世纪60年代以来，有机染料已被用作激光器的增益介质，早在今天的有机电子器件出现之前。有机增益材料由于其化学可调性和大的受激发射截面而对于激光具有高度吸引力。虽然传统的染料激光器已经大部分被固态激光器取代，但是出现了许多新的和小型化的有机激光器，其具有实验室芯片应用，生物整合，低成本感测和相关领域的巨大潜力，其受益于有机增益材料的独特性能。在基本水平上，这些包括高激子结合能，低折射率，以及光谱和化学调谐的容易性。在技??术层面上，机械灵活性和与简单加工技术的兼容性是最相关的。在这里讨论了今天常常基于固态有机半导体，以及光学反馈结构和器件制造的有机增益材料的最新进展。关键词：激光器，有机激光器，小分子材料1、前言激光器为光提供独特的和非常有用的性质，包括高强度，方向性，单色发射和大的相干长度。由于这些性质，激光器已经在几乎每个经济和工业部门中得到应用。激光器在我们的日常生活中无处不在，例如，在扫描仪，打印机和传感器中。以极高的精度控制激光器的时间，光谱和空间特性的能力已经改变了光谱领域，并提供了破记录的灵敏度和分辨率。由于激光器的不断发展和快速改进，它们也继续进入新的领域。例如，激光器现在也被考虑用于需要定向发射和高亮度的照明中的应用。在纳米光子学中，具有深亚波长尺寸的激光器可能成为未来光学计算的构件。到目前为止，用于这些和其它应用的激光器通常基于无机发射体材料，在许多情况下是无机半导体和掺杂晶体。这些材料通常是脆性的，不可弯曲的，并且它们的生产和加工通常需要高反应性和有毒的重金属前体以及高真空设备。相比之下，有机半导体材料通常更容易处理，并且所得到的器件可以是机械柔性的。此外，有机发射体材料通常比其无机对应物具有更小的危害，并且基于它们的装置显示出优异的生物相容性[1,2]。许多类别的有机半导体表现出高的光学增益，使得它们能够用作激光介质和光放大器。由于它们容易的加工性，它们与大量的光学谐振器结构兼容，并且在许多情况下，谐振器可以直接内接到有机增益介质中，导致通用和相对低成本的激光器结构[3-6]。有机材料激发的一般条件像任何激光器一样，有机激光器需要三个主要部件，增益介质，光学反馈结构和泵浦源。 有机激光器的限定特征通常是增益介质基于有机发光材料，通常是π-共轭芳族烃化合物。 为了充分利用有机激光器的优点，用于有机激光器的许多概念还涉及限定光学反馈结构的有机材料。 在许多情况下，增益材料本身实际上成形为使得其提供光学反馈。 除了极少数例外，有机激光器的泵浦源是指向有机增益材料的外部脉冲光源[6-8]。一般来说，对于作为激光器操作的结构，需要放大被捕获在结构内的光，并且放大量需要消除存在的所有损耗。原型激光器设??计包括用于光学反馈的两个反射镜，有机半导体作为增益介质填充其间的空间（图1）。有机半导体发射的自发荧光的一部分以合适的角度撞击反射镜，以在反射镜之间来回反射并反复穿过有机材料。当与处于其激发态的有机材料中的发光体相互作用时，该光可以触发受激发射并因此被放大。如果放大量等于或超过损耗，则可以维持连续的光子雪崩。发射的激光辐射是从结构泄漏的光。受激发射保持入射光的波长，相位和偏振，这意味着循环和发射光都是相干的[9,10]。增益，损耗和Q因子在数学上，通过要求在两个反射镜之间来回传播的光的电场E0在一个往返之后被再现，最便利地描述了持续发射激光的条件，例如：这里L是反射镜之间的间隔距离，n是（有效）折射率，k0 =2π/λ0是光的真空波矢量（λ0是真空波长），R1和R2是每个反射镜的反射率， g是光学增益，α是波长λ0处的空腔内的有机材料和任何其它材料的吸收。上述等式中的虚数指数项施加几何约束。平方根因子表示材料约束，其由模态增益g描述的放大需要等于或超过结构中存在的损耗，如：为了对其他光学反馈结构（不同于迄今为止所考虑的那对反射镜）推广该表达式，可以引入Q因子，其描述了任何反馈结构保持光的能力。对于简单的一对反射镜，Q因子的倒数可以表示为。因此，上述放大约束的一般形式：材料中可用的模态增益随激发态发光体的密度而增加，这又取决于泵浦的强度。这产生了激光器的特征阈值行为，其中激发作用仅在泵浦足以提供足够大的激发态发光体密度以补偿损失的增益时开始。大体上，将尝试最小化实现激射所需的模态增益，以便使所需的泵浦能量最小化。从上面可以清楚地看出，该最小化需要同时优化光学反馈结构和有机材料在激光发射波长处的吸收α。为了了解确保低材料吸收的挑战，必须看看有机半导体的光物理。特别是在激光作用期间，这可能相当复杂，通常涉及具有各个吸收分布的材料的多个不同的激发态。然而，为了第一近似，许多有机半导体是有效的准四能级激光系统。通过图可以