激光诱导周期性表面结构(LIPSS)实现有机半导体微谐振器的分布式反馈激光

研究人员通过飞秒激光微加工技术，在玻璃基底上制备激光诱导周期性表面结构(LIPSS)作为光学谐振器，成功实现了Alq3:DCM薄膜的一阶分布式反馈(DFB)激光。该研究解决了传统DFB激光制备工艺复杂、成本高的问题，通过LIPSS的周期性结构提供光学反馈，激光波长可通过调节LIPSS周期在可见光范围内广泛调谐。相邻LIPSS光栅的光学耦合形成宏观超模，使激光阈值降低两个数量级，为集成化有机DFB激光器提供了简单高效的制备方案。

　　

在光电子器件领域，有机半导体因其宽光谱吸收和发射特性、低成本加工等优势，成为实现微型化激光器的理想材料。然而，传统有机固体微谐振器系统通常采用法布里-珀罗腔或分布式反馈(DFB)结构，前者设计笨重且制备复杂，后者虽然结构紧凑但需要纳米级图案化基底，制备工艺涉及电子束光刻、干涉光刻等多步处理，严重制约了器件的实用化进程。

针对这一技术瓶颈，德国德累斯顿工业大学（Technische Universit?t Dresden）的研究团队创新性地利用飞秒激光诱导周期性表面结构(LIPSS)作为光学谐振器，开发出高性能有机DFB激光器。这项突破性研究发表在《Nature Communications》上，通过飞秒激光(515 nm波长，200 fs脉冲)在玻璃基底上直接写入高空间频率LIPSS(HSFL)，形成周期为180-195 nm的一阶布拉格光栅。研究人员采用热蒸发法沉积500 nm厚的Alq₃:DCM(2 wt%)有机增益层，在400 nm飞秒激光泵浦下实现了阈值低至185 μJ/cm²的激光输出。

关键技术包括：1)飞秒激光微加工系统制备LIPSS光栅；2)热蒸发沉积有机增益层；3)光学泵浦系统表征激光性能；4)有限时域差分法(FDTD)模拟光栅反射特性；5)扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)分析表面形貌。

飞秒激光制备LIPSS光栅

通过精确控制脉冲间距(183-195 nm)实现LIPSS周期线性调节，深度30-40 nm。快速傅里叶变换显示相邻LIPSS线具有相同周期和相位锁定，为光学耦合创造条件。

LIPSS布拉格光栅特性

有机层厚度变化形成π相位差，满足一阶布拉格条件Λ=λ/(2n_eff)，实测n_eff=1.64。通过调节LIPSS周期实现激光波长在618 nm附近可调。

光学泵浦下的激光特性

输入-输出曲线呈现典型S型非线性增长，半高宽(FWHM)在阈值处急剧减小。无LIPSS区域无激光产生，证实光栅的反馈作用。

LIPSS长度与阈值关系

光栅长度达10 μm时阈值趋于稳定，FDTD模拟显示实际光栅因缺陷等效长度约28 μm，与实验值差异源于横向维度缺陷。

LIPSS线间相干耦合

相邻线距小于9.3 μm时形成相干超模，阈值降低两个数量级。线距超过泵浦光斑半径(15 μm)时，各LIPSS线独立工作。

该研究开创性地将LIPSS技术应用于有机DFB激光器，其单步加工工艺大幅简化制备流程，相邻光栅的相干耦合效应显著提升性能。虽然目前激光阈值仍高于电子束光刻制备的DFB激光器，但该方法为快速原型设计提供了新思路，特别适用于需要灵活调节参数的研发阶段。这种可集成在各类基底上的微型激光源，在芯片级光子电路、光学传感等领域展现出重要应用前景，为有机半导体激光器的实用化开辟了新途径。