染料掺杂聚合物薄膜的激光行为研究

自20世纪60年代发展到现在，激光技术发展的速度十分惊人，应用的范围不断拓展，近年来随着有机/聚合物电致发光材料在有机发光二极管上的应用以及有机晶体管和有机太阳能电池的研制成功，科学家们开始了有机/聚合物材料放大自发发射和激光发射行为的研究。到目前为止，已经开发出了这种廉价、可以大面积成膜的、具有更广泛应用范围的有机/聚合物固体激光材料及光泵浦激光器。有机/聚合物激光器的出现不仅向传统激光理论提出了新的挑战，而且具有诸多潜在的应用价值。可以断言，在21世纪知识经济的大潮中，有机/聚合物激光器的研究必将推动传统学科的发展和新兴学科形成，也必将为人类带来巨大的经济效益。新的有机激光材料不断涌现、器件结构不断推陈出新、新的激发原理不断提出并得到修正已经成为有机/聚合物固体激光研究领域的三大特点。本论文进行了利用Förster能量传递对荧光染料DCJTB放大自发发射行为的优化、基于放大自发发射的红光染料DCJTB掺杂聚合物薄膜的白光发射、多孔结构对荧光染料放大自发发射行为的优化以及基于纳米结构的荧光染料DCJTB掺杂聚合物薄膜的激光行为等方面的研究工作，具体研究内容如下: 1、利用Förster能量传递理论，系统地研究了两种或三种染料共掺杂聚合物薄膜的放大自发发射（ASE）行为。研究表明，两种染料共掺杂显著改善了掺杂聚合物薄膜的ASE阈值、增益和损耗特性，而三种染料共掺杂，由于更多的Förster能量传递，使掺杂聚合物薄膜的ASE阈值、增益和损耗性能得到了进一步的改善。将Alq3和C545T两种绿光染料同时掺杂到DCJTB：PS中，通过利用Alq3和C545T同时的能量传递效应，已经使Alq3:C545T:DCJTB：PS薄膜的阈值、增益和损耗分别达到了0.007 mJ/pulse、52 cm-1和7 cm-1。 2、将红色荧光染料DCJTB掺杂到蓝色聚合物PFO中，通过控制DCJTB在PFO中的浓度，我们获得了具有放大自发发射的白光发射，当DCJTB在PFO的掺杂浓度为0.3%时显示了最好的白光ASE特性， 白光中DCJTB和PFO发射的阈值、增益和损耗分别达到了0.072 mJ pulse-1，0.035 mJ pulse-1；36.3 cm-1，22.35 cm-1和7.39 cm-1，15.88 cm-1。我们的结果表明，DCJTB掺杂聚合物PFO体系是实现ASE白光发射的有效方法，拓展了ASE的应用范围。 3、开发出了二维多孔SBA-15和三维TiO2反蛋白石光子晶体两种实现有机ASE有效发射的两种结构，通过利用有序结构的SBA-15的量子限域效应优化了蓝光染料C151的ASE阈值、增益和损耗特性，而通过利用三维TiO2反蛋白石光子晶体的量子限域效应，也使包埋其中的绿光染料C545T的ASE特性得到了明显改善。研究表明，无论是二维SBA-15多孔结构还是三维TiO2反蛋白石光子晶体结构，通过其量子限域效应都能很好地优化包埋其中的荧光染料的ASE特性，为进一步优化有机半导体的ASE特性提供了新的思路。 4、将聚苯乙烯纳米球分散到DCJTB:PS薄膜中和把DCJTB:PS薄膜旋涂在ZnO纳米柱阵列上两种方法，我们已经成功地研制出了多模随机有机激光发射器件。详细研究表明，多模随机有机激光发射特性显著地与聚苯乙烯纳米球的尺寸和浓度以及ZnO纳米柱的疏密程度密切相关，优化后的聚苯乙烯纳米球掺杂DCJTB:PS薄膜的阈值已经达到了0.06 mJ pulse-1cm-2，而ZnO纳米柱包埋DCJTB:PS薄膜的阈值达到了0.375 mJ pulse-1cm-2。我们的结果表明，聚苯乙烯纳米球和ZnO纳米柱都是实现随机有机激光的非常好的散射介质材料。