Semiconducting polymer gain media for optical amplifiers and lasers

Abstract

Semiconducting polymers are now attracting considerable attention as novel gain media for devices such as lasers and optical amplifiers. An important future target in this context is the realization of a solid-state polymer laser diode. Such organic laser diodes have the potential to revolutionise the market of semiconductor lasers, offering extremely versatile and cheap laser sources that may eventually compete with inorganic lasers in a large number of fields. This thesis reports the results of a detailed study of the gain and lasing properties of a range of materials belonging to the “polyfluorene” family of semiconducting polymers. Efficient, low threshold stimulated emission is demonstrated in the blue, green and red spectral ranges via amplified spontaneous emission measurements in optically pumped planar asymmetric waveguides. The amplifying characteristics of the waveguides are investigated in detail. It is shown that these structures exhibit large net modal gains, large gain cross sections and very low propagation loss coefficients. Wide tuning of the maximum waveguide amplification wavelength is demonstrated via control of the allowed propagating modes of the structures or by actively modifying the composition of the gain media. These results highlight the broadband gain accessible with the studied materials and, in general, establish fluorene-based polymers as particularly attractive high-gain media for the fabrication of solid-state polymer lasers that emit at wavelengths across the whole visible spectrum. Based on these findings, very compact, all-solid-state distributed feedback polymer laser systems based on the investigated materials and featuring one- and two-dimensional photonic confinement are successfully realised. Their emission and operating characteristics are described in detail, along with the results from additional measurements that investigate the effect of the grating microstructures on the polymer light emission. The operating wavelength of the lasers is systematically tuned across very wide spectral ranges by adjusting the supported resonant frequency of the laser cavities.

Τα ημιαγώγιμα πολυμερή προσελκύουν έντονο ενδιαφέρον ως καινοτόμα μέσα ενίσχυσης για συσκευές όπως λέιζερ και οπτικοί ενισχυτές. Ένας σημαντικός μελλοντικός στόχος σε αυτό το πλαίσιο είναι η υλοποίηση μιας διόδου λέιζερ πολυμερούς στερεάς κατάστασης. Τέτοιες οργανικές δίοδοι λέιζερ έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση στην αγορά των λέιζερ ημιαγωγών, προσφέροντας εξαιρετικά ευέλικτες και φθηνές πηγές λέιζερ που μπορεί τελικά να ανταγωνιστούν τα ανόργανα λέιζερ σε μεγάλο αριθμό πεδίων.Αυτή η διατριβή περιγράφει τα αποτελέσματα μιας λεπτομερούς μελέτης των ιδιοτήτων ενίσχυσης και δράσης λέιζερ μιας σειράς υλικών που ανήκουν στην οικογένεια ημιαγώγιμων πολυμερών πολυφλουορενίου. Αποτελεσματική, χαμηλού ενεργειακού κατωφλίου εξαναγκασμένη εκπομπή επιδεικνύεται στην μπλε, πράσινη και κόκκινη φασματική περιοχή μέσω μετρήσεων ενισχυμένης αυθόρμητης εκπομπής σε επίπεδους ασύμμετρους οπτικούς κυματοδηγούς. Διερευνώνται λεπτομερώς τα χαρακτηριστικά ενίσχυσης των κυματοδηγών. Αποδεικνύεται ότι αυτές οι δομές παρουσιάζουν μεγάλες καθαρές οπτικές απολαβές , μεγάλες διατομές ενίσχυσης και πολύ χαμηλούς συντελεστές απωλειών εξασθένησης διάδοσης. Ευρεία ρύθμιση του μέγιστου μήκους κύματος ενίσχυσης κυματοδηγού επιδεικνύεται μέσω του ελέγχου των επιτρεπόμενων τρόπων διάδοσης των δομών ή με την ενεργή τροποποίηση της σύνθεσης των μέσων ενίσχυσης. Αυτά τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν το ευρυζωνικό κέρδος που είναι προσβάσιμο με τα υλικά που μελετήθηκαν και, γενικά, καθιερώνουν τα πολυμερή με βάση το φλουορένιο ως ιδιαίτερα ελκυστικά μέσα υψηλής απολαβής για την κατασκευή πολυμερών λέιζερ στερεάς κατάστασης που εκπέμπουν σε μήκη κύματος σε όλο το ορατό φάσμα.Με βάση αυτά τα ευρήματα, υλοποιούνται επιτυχώς πολύ συμπαγή, πλήρως στερεάς κατάστασης πολυμερικά συστήματα λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης που βασίζονται στα υπό έρευνα υλικά και τα οποία διαθέτουν μονοδιάστατες και δισδιάστατες φωτονικές κοιλότητες. Τα χαρακτηριστικά εκπομπής και λειτουργίας τους περιγράφονται λεπτομερώς, μαζί με τα αποτελέσματα από πρόσθετες μετρήσεις που διερευνούν την επίδραση των μικροδομών των φραγμάτων περίθλασης στην εκπομπή φωτός του πολυμερούς. Το μήκος κύματος λειτουργίας των λέιζερ συντονίζεται συστηματικά σε πολύ μεγάλες φασματικές περιοχές μέσω ρύθμισης των υποστηριζόμενων συχνοτήτων συντονισμού των κοιλοτήτων λέιζερ.