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全球首個有機(jī)半導(dǎo)體激光器

原創(chuàng)文章 發(fā)布人:互聯(lián)網(wǎng) 發(fā)布時(shí)間:2023-11-22 09:41

  在光學(xué)領(lǐng)域,激光是非常關(guān)鍵的技術(shù),它們的應(yīng)用從電信到醫(yī)療診斷,非常廣泛。然而,傳 統(tǒng)的激光技術(shù)主要依賴于剛性、易碎的半導(dǎo)體晶體,如砷化鎵,這給成本、靈活性和集成到現(xiàn)代緊湊型設(shè)備方面帶來了很多問題。對緊湊而靈活的激光技術(shù)的追求促使研究人員探索有機(jī)半導(dǎo)體。英國圣安德魯斯大學(xué)(University of St Andrews)圣安德魯斯大學(xué)最近取得的突破,開發(fā)了一種電驅(qū)動有機(jī)半導(dǎo)體激光器(electrically driven organic semiconductor laser)。

  第一個有機(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驅(qū)動的有機(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。

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  在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,有機(jī)激光的光譜學(xué)能力可以通過便攜式設(shè)備進(jìn)行更準(zhǔn)確的疾病檢測,從而大大提高檢測結(jié)果。此外,其精確和定向的光可以用于外科手術(shù)或光動力治療,從而以最小的附帶損害,所以可以進(jìn)行更有針對性的治療。環(huán)境部門也可以從這種通過有機(jī)半導(dǎo)體激光器光譜分析監(jiān)測污染物的技術(shù)中受益。設(shè)計(jì)電驅(qū)動有機(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。

  此外,制造業(yè)可以利用這種有機(jī)半導(dǎo)體激光器的精度進(jìn)行切割、焊接和標(biāo)記等材料加工任務(wù),這對微加工和其他先進(jìn)制造技術(shù)至關(guān)重要。有機(jī)激光器的廣譜發(fā)射能力和電力泵送的潛力簡化了其操作,使其成為便攜式和現(xiàn)場部署激光系統(tǒng)的優(yōu)良選項(xiàng)。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)體低幾個數(shù)量級。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:“我們的工作是推動這些材料進(jìn)入一個非??焖俸蛷?qiáng)烈的操作計(jì)劃?!敝劣趹?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)測癥狀的醫(yī)療設(shè)備中。