有机半导体材料是基于碳的，具有光电特性，易于制备，并且可以通过改变其化学结构来调整其性能。这些有机半导体材料已成功用于制造有机发光二极管（OLEDs，在移动电话显示屏和电视中广泛应用）、太阳能电池、晶体管和传感器等各种电子器件。然而，制造电驱动的有机半导体激光器非常具有挑战性。这是因为有机半导体通常仅支持低电流密度，会受到注入电荷和三重态的吸收，并且由于接触而产生额外的损耗。简而言之，将电荷注入增益介质会导致无法忍受的损失。
2023年9月27日，英国圣安德鲁斯大学Graham A. Turnbull教授和Ifor D. W. Samuel教授合作，提出了一种替代方法，其中电荷注入和激光放射是在空间上分离的，从而大大减小了损耗。研究人员通过开发一种集成器件结构来实现这一点，该结构能够有效地将具有异常高内部光生成的OLED与聚合物分布式反馈激光器有效耦合在一起。在集成结构的电驱动下，他们观察到了光输出与驱动电流之间的阈值，伴随着窄的发射光谱和阈值以上的光束形成。这些观察结果证实了激光放射现象。研究结果提供了一种以前未曾展示过的有机电子器件，同时表明通过OLED的间接电泵浦是实现电驱动的有机半导体激光器的一种非常有效的方法。这为可见光激光器提供了一种方法，可能在光谱学、计量学和传感领域应用广泛。该文章以Electrically driven organic laser using integrated OLED pumping为题，发表在Nature期刊上。共同第一作者是 英国圣安德鲁斯大学的Kou Yoshida和Junyi Gong博士。
同期，蒙特利尔理工学院的Stéphane Kéna-Cohen副教授在Nature发表了题目为“An all-organic laser that is electrically driven”的评论，评论指出设备可以在塑料基底上制造，或者制造成大面积阵列，这将有可能实现在传统激光器难以想象的光谱学、成像和传感等应用。尽管该设备仍然需要脉冲电流以减少热量和三重态的积累，但在未来，材料开发的进展可能能够缓解这个问题。
该论文成果同样于2023年9月27日在AAAS新闻网上以Organic lasers have a bright future为题被报道。报道指出这是一项科学突破，但随着未来的发展，这种激光器有潜力与OLED显示屏集成，实现它们之间的通信，或用于检测疾病和环境污染物的光谱学应用。
【综合集成的OLED】
集成的装置包括多层堆叠结构，其中包括一个OLED电致发光区域、一个中央的透明光耦合区域以及一个聚合物分布反馈（DFB）激光腔。该结构因此具有两个发光层：一个基于2,7-双(9,9-螺喹啉-2-基)-9,9-螺喹啉 (TSBF) 的电致发光层和一个基于聚(2,5-双(2′,5′-双(2″-乙基己氧基)苯基)-对苯撑乙烯) (BBEHP-PPV) 的受激发射层。BBEHP-PPV被选作激光增益介质，因为基于这种聚合物的DFB激光器已经显示出有机激光器中最低激射阈值之一。BBEHP-PPV的吸收峰位在约430 nm处，与TSBF的发射光谱相匹配，因此TSBF的电致发光可以有效地在BBEHP-PPV中引起反转粒子的产生。
图1：电驱动有机半导体激光器的结构。
通常情况下，从OLED发出的光是高度发散的，因此光强会随着距离的增加而迅速减小。即使对于具有小活性区域的OLED，这种情况在短距离内也会非常严重。因此，为了最大程度地提高增益材料中的激发密度，研究人员将OLED和激光波导分开了仅7 µm的距离。
有机激光器和OLED部分最初是分别制造的，然后再集成在一起形成完整的结构。底部发射的OLED首先被沉积在一个覆盖有两对1.5 µm厚的聚二甲苯-C层（P）和50 nm厚的Al2O3/ZrO2纳米层（N）的玻璃载体上。然后，将OLED及其PNPN基底从玻璃载体上取下（PNPN-OLED），以便将其转移到有机激光波导上。两对P和N层的使用可以提供比单对更好的对氧气和水分的屏障能力。激光器由一个230 nm厚的BBEHP-PPV层、一个2.2 µm厚的聚(吡咯烷酮基乙烯)（PVPy）包层和一个1.5 µm厚的聚二甲苯耦合层组成。两个部分通过一层弹性垫（MD700，Solvay）在机械上保持在一起，以确保均匀的压力和两个外层聚二甲苯之间的光学密切接触。显微镜下观察到的干涉条纹图案表明OLED和激光波导部分之间有良好的贴合接触，没有空气间隙。
集成设计的关键方面之一是，电致发光到激光增益介质的传递效率可以比常规的OLED排气效率高得多，也就是排放到空气中。这是因为OLED和DFB激光之间的聚合物层的折射率相似，确保通过全反射最小化了到底底板模式的光损失，与在空气界面的高损失相比（>70%）。研究人员模拟了TSBF-OLED在PNPN基底上排放到不同折射率介质的排出效率，并发现OLED到PVPy层的排出效率为62%，比排放到空气中的27%高2.3倍。因此，我们的集成器件能够非常有效地将电致发光传递到激光增益介质中。
【用于高光输出的OLED设计】
研究旨在实现一个能够在空气中发射50瓦每平方厘米的OLED，这要比此前的成果高。已有报道的OLED在4.5千安埃每平方厘米的电流密度下，其辐射辐照度达到了约20瓦每平方厘米，其外部量子效率（EQE）为0.2%。要实现这一效率，需要非常高的电流密度，超过10千安埃每平方厘米，才能获得50瓦每平方厘米的光输出。除了注入如此高的电流密度之外，还需要在蓝光区域进行发射。对于期望的发射波长430纳米，已报道的最高辐射辐照度为4.3瓦每平方厘米。为了实现这一记录的辐射辐照度，关键的设计特点包括使用具有短辐射寿命的发射器、采用最小化电阻的接触设计、使用强烈的短电脉冲以及使用掺杂的传输层来促进电荷注入和传输。此外，高强度的OLED通常非常小，但这对于激发DFB激光器来说并不理想，因为小的激发斑点会减小与增益介质的相互作用长度并增加阈值。因此，研究人员设计了OLED成为一个长度为1毫米的窄条形，以匹配激光光栅的大小，并且宽度为130微米，以获得小的发射面积（但不至于使OLED的发散严重降低其强度）。这种形状保持了电容低，并确保电流只需在半透明接触上进行非常短的传输距离，从而降低了电阻、驱动电压和发热。
【脉冲操作下的OLED性能】
他们观察了电流脉冲和电致发光的时间特性，发现在特定电流密度下，电流脉冲的形状发生变化，这有助于实现高激发密度。同时，他们研究了OLED的电致发光光谱，并发现它与激光器的增益介质吸收光谱有良好的重叠。
此外，他们还研究了OLED的光辐照度与峰值电流密度之间的关系，并发现在高电流密度下，OLED能够产生异常高的光辐照度，这对于有机激光器的性能至关重要。他们的研究表明，他们的OLED在非常短的波长下产生了非常高强度的光输出，这对于有机激光器技术的发展具有重要意义。此外，他们还进行了有机激光器的极化性质和寿命测试，发现这些激光器在电气驱动下可以持续工作数小时，而电致发光的寿命也相对较长。
最后，他们进行了电气和光学泵浦的比较实验，发现电气驱动等效于较高功率的光激发，这进一步证明了他们集成设备结构的优势。这项研究为有机半导体激光器的开发提供了重要的实验和理论基础。
图2：PNPN衬底上TSBF-OLED的性能。
【聚合物激光器的设计和操作】
DFB聚合物激光器的设计旨在实现低光泵浦阈值。研究中采用了一个子结构光栅，选择结合了表面排除和高Q因子。正如前面提到的，从激光器处获得的OLED输出光线随着距离的增加而发散明显，其排除效率主要受到接触层的折射率限制。因此，需要一个具有高折射率的薄顶部包层层。我们测试了几种顶部包层材料，包括氟聚合物（CYTOP，AGC Chemicals）、环氧胶（NOA68，Norland Products）和PVPy。由于其较低的损耗系数，NOA68和PVPy的激光阈值较CYTOP低。最终选择了PVPy作为器件的顶部包层，因为它提供了更薄且更可控的薄膜厚度。最初，我们使用光参量振荡器（OPO）对光泵浦下的激光性能进行了表征。在Extended Data Fig. 5中，当在阈值以上泵浦时，激光器具有明显的阈值，为92瓦每平方厘米，并在541.5纳米处具有窄的发射峰。
【集成激光器的特性表征】
他们通过电流脉冲驱动有机发光二极管（OLED）来测试激光器的性能。通过观察线宽、输出功率、发光束的特性以及特定增益介质和谐振器的发射特性，确认了这个设备的激光特性。
实验结果表明，在特定电流密度下，设备表现出明显的激光特性，包括窄线宽、发光束的形成和与增益介质相符的发射特性。此外，研究人员还测量了激光的极化性质，发现其线偏振与光栅方向平行，与一维表面发射DFB激光器的特性相符。
他们还对激光器的寿命进行了测试，发现在电气驱动下，激光器可以持续工作数小时，远远超过以前的报告。最后，他们进行了电气和光学泵浦的比较，发现电气驱动等效于较高功率的光激发，这表明集成设备结构对提高耦合效率非常有利。
图3：电驱动操作下集成激光器的特性。
图4：电驱动激光的辅助光泵测量。
【总结展望】
研究通过采用集成设备方法，成功实现了有机半导体的电驱动激光行为，克服了直接电注入有机或混合钙钛矿激光器常面临的主要困难，同时保留了操作上的优势。观察到的阈值行为、光谱变窄以及极化的光束发射提供了明显的激光证据，与所使用的增益介质和谐振器的特性一致。
他们还介绍了辅助光泵浦测量在量化电驱动对激光阈值的贡献方面的重要性，并指出这将是未来评估其他增益材料和结构以实现电驱动激光行为的有用工具。
最后，他们提到了这项研究对有机激光器的要求，需要OLED在极端强烈的电流注入下运行，这导致了非常快速的有机光电子设备。他们鼓励未来深入研究在这种极端条件下的有机半导体动态学，以改进设备性能并推动超快速有机光电子的更多应用。
参考文献：
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06488-5
https://www.nature.com/articles/d41586-023-02935-5
https://www.eurekalert.org/news-releases/1002903
