近日，來自蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的研究人員制造出了全球第一臺(tái)不需要單獨(dú)光源就能工作的有機(jī)半導(dǎo)體激光器。

在以往，打造這樣的設(shè)備非常具有挑戰(zhàn)性。新的全電驅(qū)動(dòng)激光器比以前的設(shè)備更緊湊，并且在電磁波譜的可見區(qū)域工作。因此，它的開發(fā)人員表示，它可能會(huì)在傳感和光譜學(xué)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)落地。

第一個(gè)有機(jī)激光器（即由碳基材料制成的激光器）于1992年被創(chuàng)造出來。然而，該激光器使用單獨(dú)的光源驅(qū)動(dòng)其增益介質(zhì)，這使其設(shè)計(jì)復(fù)雜化并限制了其應(yīng)用。從那以后，研究人員一直試圖找到一種方法來制造一種只使用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的有機(jī)激光器，但沒有成功。

而研究人員最新開發(fā)出的這種能夠?qū)崿F(xiàn)電驅(qū)動(dòng)的有機(jī)半導(dǎo)體激光器，首先是制造出具有世界紀(jì)錄光輸出的有機(jī)發(fā)光二極管，然后仔細(xì)地將其與聚合物激光結(jié)構(gòu)結(jié)合起來。

打破世界紀(jì)錄

共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)新研究的物理學(xué)家Samuel表示，這是過去30年中該領(lǐng)域遭遇的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，由于實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)，激光器不在需要單獨(dú)的光源來驅(qū)動(dòng)它們，其潛在的應(yīng)用范圍也將得以擴(kuò)大。

設(shè)計(jì)電驅(qū)動(dòng)有機(jī)激光器有兩種主要策略。第一種方法是在有機(jī)激光增益介質(zhì)上放置電觸點(diǎn)并通過它們注入電荷。然而，用這種方法制造激光器是很困難的，因?yàn)樽⑷氲碾姾赏ㄟ^所謂的三重態(tài)吸收了材料發(fā)光光譜中的光。觸點(diǎn)本身也會(huì)吸收光線。由于激光需要增益（光放大）來超過損失，因此光吸收是一個(gè)巨大的障礙。

在《自然》雜志上詳細(xì)介紹的這項(xiàng)新研究中，研究人員用第二種方法解決了這個(gè)問題：通過在空間上使電荷、三重態(tài)和接觸與激光增益介質(zhì)保持距離。然而，要做到這一點(diǎn)也不容易，因?yàn)檫@意味著他們需要制造出具有世界紀(jì)錄光輸出強(qiáng)度的脈沖藍(lán)色有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）來驅(qū)動(dòng)增益介質(zhì)。然后，他們需要找到一種方法，將所有的有機(jī)發(fā)光二極管的光耦合到激光中，激光是由一層薄薄的半導(dǎo)體聚合物制成的，可以發(fā)出綠光。

“為了制造這個(gè)裝置，我們最初分別制造了OLED和激光腔，然后將OLED轉(zhuǎn)移到只有幾微米厚的襯底上，轉(zhuǎn)移到激光波導(dǎo)的表面。這兩個(gè)部分的精密集成，對(duì)于增益介質(zhì)訪問OLED內(nèi)部產(chǎn)生的強(qiáng)烈電致發(fā)光至關(guān)重要。”

為了完成設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)在薄膜激光器中使用衍射光柵，在薄膜平面上提供受激光發(fā)射的分布式反饋，同時(shí)從表面衍射輸出激光束。

緩慢的技術(shù)加速發(fā)展

有機(jī)半導(dǎo)體器件被廣泛認(rèn)為是一種“緩慢”的技術(shù)，因?yàn)橛袡C(jī)材料中的電荷遷移率通常比硅或III－V晶體半導(dǎo)體低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，另一位領(lǐng)導(dǎo)該研究的科學(xué)家、圣安德魯斯大學(xué)的Graham Turnbull表示：“我們的工作是推動(dòng)這些材料進(jìn)入一個(gè)非常快速和強(qiáng)烈的操作計(jì)劃。”

至于應(yīng)用，研究人員說，新的全電有機(jī)半導(dǎo)體激光器將直接集成到使用基于光的傳感和光譜學(xué)來診斷疾病或監(jiān)測(cè)癥狀的醫(yī)療設(shè)備中。

編輯：黃飛