有机激光器的制作方法

文档序号：11253096阅读：835来源：国知局

本申请是中国专利申请号为201080040985.0、申请日为2010年7月29日的pct申请pct/us2010/043680的、名称为“有机激光器”的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及发光装置。更具体地说，本发明涉及激光器，其中激光材料是有机的。

背景技术：

由于很多原因，越来越期望使用有机材料的光电装置。因为很多用来制造这样的装置的材料相对廉价，因此有机光电装置具有在成本上优于无机装置的潜力。另外，有机材料的固有性质，诸如其柔性，可以使其非常适合于诸如在柔性基板上的制造的特定应用。有机光电装置的例子包括有机发光装置(oled)、有机光电晶体管、有机光伏电池和有机光电检测器。对于oled，有机材料可以具有优于传统材料的性能优势。例如，有机发射层发光的波长通常可以容易地使用适当的掺杂剂来调节。

oled使用薄有机膜，当横跨装置施加电压时，该薄有机膜发光。oled越来越成为在诸如平板显示器、照明和背光的应用中使用的令人感兴趣的技术。在美国专利no.5,844,363、6,303,238和5,707,745中描述了若干oled材料和配置，这些专利以引用的方式全部并入本文。

关于oled的更多细节、以及上述的定义可以在美国专利no.7,279,704中找到，该专利以引用的方式全部并入本文。

技术实现要素：

提供一种装置。该装置包括第一有机发光装置，该第一有机发光装置还包含第一电极、第二电极和设置在第一电极与第二电极之间的有机发射层。该装置还包括第一激光器装置，该第一激光器装置还包含光学腔和设置在光学腔内的有机激光材料。设置聚焦机构，以将由第一有机发光装置发射的光聚焦到第一激光器装置上。优选地，该聚焦机构提供其强度为由第一有机发光装置发射的光的强度的至少10倍的入射到第一激光器装置上的光，并且，更优选地，提供其强度为由第一有机发光装置发射的光的强度的至少100倍的入射到第一激光器装置上的光。

优选地，该第一有机发光装置具有微腔，从而使得有机发射层被设置在微腔内。一维的和二维的微腔是可以使用的两种类型的微腔。

聚焦机构可以是透镜，例如梯度折射率透镜(gradientindexlens)。梯度折射率透镜可以具有柱状形状，该柱状形状具有第一平面端和第二平面端，其中，第一有机发光装置设置在梯度折射率透镜的第一平面端上，第一激光器装置设置在梯度折射率透镜的第二平面端上。四分之一节距梯度折射率透镜(quarterpitchgradientindexlens)是优选的。

聚焦机构可以是非平面基板，在该非平面基板上设置第一有机发光装置，从而使得来自第一有机发光装置的光被聚焦到这样的区域中：在该区域中至少设置有第一有机半导体激光器的一部分。具有三维曲率的非平面基板是优选的。抛物面形状是优选的。

优选地，该装置还包含适合于使第一有机发光装置产生脉冲的电路。

该装置可以被并入消费装置(consumerdevice)中。

还提供一种方法。第一有机发光装置可以被电驱动，从而导致电致发光。电致发光可以由聚焦机构聚焦到有机半导体激光器上，其对有机半导体激光器进行光学泵浦。

优选地，以脉冲驱动第一有机发光装置，从而以脉冲对osl进行光学泵浦。优选地，脉冲具有5到20毫微秒的持续时间。优选地，脉冲间的间隔具有至少一微秒的持续时间。

附图说明

图1示出有机发光装置。

图2示出不具有分开的电子传输层的倒置的有机发光装置(invertedorganiclightemittingdevice)。

图3示出光学泵浦的有机半导体激光器。

图4示出作为聚焦机构的梯度折射率(grin)透镜，该聚焦机构将来自oled的光聚焦到osl上。

图5示出作为聚焦机构的弯曲的oled，该聚焦机构将来自oled的光聚焦到osl上。

图6示出grin透镜的节距(pitch)概念。

图7示出在假设准直的输入光的情况下的grin透镜的均匀输入强度分布和计算的输出强度分布。

图8示出类似于图7中图示的计算，但是假定输入光在半球上具有各向同性的角度分布。

图9示出第一oled的测量的、归一化的el谱。

图10示出表征第一oled的绘图。

图11示出第二oled的测量的、归一化的el谱。

图12示出表征第二oled的绘图。

图13示出从grin透镜输出的测量光，其中光从第一oled输入。

图14示出在图13中图示的焦斑(focalspot)在x和y方向上的横截面强度分布。

图15示出从grin透镜输出的测量光，其中光从第一oled输入。

图16示出在图15中图示的焦斑在x和y方向上的横截面强度分布。

图17示出类似于图5的弯曲的oled的计算的强度分布。

图18示出在图17中图示的oled的强度分布。

图19示出对应于oled的光学微腔结构。

图20示出基于图19的结构的若干光学分布。

具体实施方式

提供一种光学泵浦有机半导体激光器(osl)。该osl由来自分开的、电驱动的有机发光装置(oled)的光进行泵浦。

光学泵浦的osl装置是已知的，参见v.g.koslov,p.e.burrows,ands.r.forrest,nature389,p.362(1997)。osl通常包括其中设置有有机激光材料的光学腔。诸如怎样制造光学腔、激光材料应当放置在哪里和应当使用什么材料之类的考虑对本领域来说都是熟知的。可以通过提供以osl能够吸收的波长的入射在osl上的具有足够强度的光来对osl进行光学泵浦。对于具有实现激光作用的最低的光学泵浦阈值的传统的光学泵浦osl装置，需要在100w/cm²的量级上的泵浦强度。在当前可用的oled中实现的最高亮度在10w/cm²的量级上的泵浦强度。这样，在输出强度没有大约10倍的增加的情况下，传统的oled将不能以实现激光作用所需的水平驱动光学泵浦的osl。

本发明的实施例通过下述方式来解决该问题：提供将从oled输出的光聚焦到光学泵浦osl上的聚焦机构，以相对于oled的默认输出，提供面积减小但强度增加的光的区域。该增加的强度足够在具有传统oled的传统光学泵浦osl中实现激光作用。优选地，基于驱动具有现有oled的现有osl装置所需的强度的增加，入射在osl上的光的强度为由oled发射的光的强度的至少10倍。更优选地，入射在osl上的光的强度为由oled发射的光的强度的至少100倍，甚至更优选地为由oled发射的光的强度的1000倍。这些增加是可以基于在本文中公开的配置实现的，并且为使用可能不是最亮的oled或具有最低激光阈值(lasingthreshold)的osl装置的装置和材料实现激光作用提供充裕的容限。根据诸如可用的oled和osl的特性的因素，可以使用光的强度的其它增加。

该“聚焦机构”可以是聚焦光的任何机构。在本发明的某些实施例中，使用一个或多个透镜来实现这样的聚焦。梯度折射率透镜(grin透镜)是优选的聚焦机构。使用grin透镜，可以容易地制造包括oled、osl和grin透镜的简便单元。具有柱状形状的grin透镜具有两个圆形平面端。oled可以置于这两个平面端之一上，osl置于另一个平面端上，从而使得grin透镜将来自oled的光聚焦到osl上。该配置具有这样的优点，即，在制造grin透镜的期间，可以容易地控制影响聚焦度和强度增加的oled与osl之间的距离。四分之一节距grin透镜是优选的，这是由于相对于具有其它节距的grin透镜而言四分之一节距grin透镜在小距离上实现高的聚焦度。

对于某些实施例，oled包括微腔是优选的。在微腔oled中，oled的发射层设置在微腔内，即，在两个至少是半反射性的表面之间。没有微腔效应的oled会具有大致的“朗伯”发射，即，观察到的辐射强度同观察者的视线与表面法线之间的角度θ的余弦直接成比例。微腔效应往往会将辐射强度集中在表面法线的方向上，在极限时会导致“准直”发射。具有微腔的oled经常将oled的电极与有机层之间的界面用作半反射表面，尽管也可以使用其它的表面。

特别地，当oled的发射是有方向性的(优选地，是准直的)时，某些聚焦机构可以最佳地工作。grin透镜是这样的聚焦机构的例子。

另一种聚焦机构涉及使用非平面或弯曲的基板，在该基板上制造oled。例如，使用具有准直发射的oled，该oled的每一个部分都将在表面法线的方向上发光。通过将弯曲的基板成形为使得这些表面法线会聚在特定斑点的小区域上，在不使用透镜的情况下，可以实现将来自oled的光聚焦到osl上。不必将osl放置在实现最高聚焦度的地方，尽管这是希望的。确切地，将osl放置为使得光至少被充分地聚焦以驱动osl是优选的。

具有三维曲率的非平面基板是优选的。抛物面形状是优选的。可以使用具有二维曲率的表面，并且出于某些原因(诸如易于制造)，具有二维曲率的表面是优选的。但是，具有二维曲率的表面将光聚焦到点上的能力是有限的，确切地，可以将光聚焦到线性区域中。具有三维曲率的表面是优选的，因为其可以在强度上实现更大的增加。抛物面形状是优选的，其中osl位于抛物线的焦点处或在抛物线的焦点的附近。抛物面反射器(parabolicdish)是优选的形状的例子。

优选地，该装置还包含适合于使第一有机发光装置产生脉冲的电路。脉冲是优选的，这是由于人们认为，当连续地发射激光时，osl会经历三重态的累积，这会导致不希望的猝灭。参见，giebink,andforrest,temporalresponseofopticallypumpedorganicsemiconductorlasersanditsimplicationforreachingthresholdunderelectricalexcitation,phys.rev.b79,073302(2009)。使用脉冲的光学泵浦来驱动osl可以缓解这一问题。适合于使第一有机发光装置产生脉冲的电路可以是例如可购得的脉冲发生器。据认为，在大约100ns的时间内，在某些osl装置中，三重态累积到不希望的水平。因此，小于100ns的脉冲持续时间是优选的。优选地，脉冲具有5到20毫微秒的持续时间。脉冲可能包括优选地尽可能短的上升时间，在上升时间期间，oled的强度增加。脉冲间的间隔允许三重态衰变，从而可以发起另一个脉冲。优选地，脉冲间的间隔至少是1微秒。可以使用更长的间隔，直到一秒或更长。根据osl的材料和配置，可以使用不同的脉冲持续时间和脉冲间的间隔。另外，可以使用小于脉冲和间隔的最佳持续时间的持续时间，例如，作为激光效率与期望的激光信号分布之间的折衷。

聚焦机构并不限于在本文中具体图示的这些聚焦机构。其它适合的聚焦机构包括传统透镜、菲涅尔透镜、显微镜物镜、凹反射镜或抛物面反射镜、或者光学元件的组合。更通常地，可以使用任何可以聚焦光的光学元件或光学元件的组合。

图1示出有机发光装置100。这些图不必一定按比例绘制。装置100可以包括基板110、阳极115、空穴注入层120、空穴传输层125、电子阻挡层130、发射层135、空穴阻挡层140、电子传输层145、电子注入层150、保护层155和阴极160。阴极160是具有第一导电层162和第二导电层164的复合阴极。装置100可以通过依次沉积上述层来制成。这多种层的性质和功能、以及示例材料在us7,279,704的第6-10栏中进行了更详细的描述，该文献通过引用的方式并入本文。

箭头170图示在装置100中的微腔的边界。当装置中的两个界面至少具有一定程度的反射率时，在这两个界面之间形成微腔。界面的之一可以是全反射的。但是，由于期望oled发光，因此界面中的至少一个应当是半透明的。箭头170在具有阳极115和阴极160的装置100的有机层的界面之间绘制。这些界面通常限定存在于oled中的任何微腔，这是由于当作出典型的设计选择时，这些界面往往会具有该装置中的最高的反射率。但是，可以使用其它界面来限定微腔。

图2示出倒置的oled200。该装置包括基板210、阴极215、发射层220、空穴传输层225和阳极230。装置200可以通过依次地沉积上述层来制成。由于最常见的oled配置具有设置在阳极之上的阴极，并且装置200具有设置在阳极230之下的阴极215，因此装置200可以被称为“倒置的”oled。与关于装置100描述的那些材料类似的材料可以用于装置200的对应层中。图2提供怎样从装置100的结构省略掉某些层的一个例子。

在图1和图2中图示的简单的层状结构是通过非限制性的例子的方式提供的，并且，这样理解，本发明的实施例可以结合各种各样的其它结构来使用。描述的具体材料和结构本质上是示例性的，并且可以使用其它材料和结构。基于设计、性能和成本因素，功能性的oled可以通过以不同方式组合各种层来实现，或者多个层可以被完全省略。还可以包括没有具体描述的其它层。可以使用除具体描述的材料以外的材料。各种层可以包含单一材料，或者包含宿主和掺杂剂的化合物，或者更通常包含混合物。而且，这些层可以具有各种子层。在本文中赋予各种层的名称不应当是严格限制性的。例如，在装置200中，空穴传输层225传输空穴并将空穴注入到发射层220，并且可以被描述为空穴传输层或空穴注入层。在一个实施例中，oled可以被描述为具有设置在阴极与阳极之间的“有机层”。该有机层可以包含单层，或者还可以包含例如参照图1和图2描述的不同有机材料的多个层。

图3示出光学泵浦有机半导体激光器(osl)300。激光器300被制造在基板310上。激光器300包括第一半反射层320和第二半反射层330，第一半反射层320和第二半反射层330一起限定光学腔。有机激光材料330设置在光学腔内。在osl的情形中，在本文中使用的“光学腔”是指，提供适用于当光学泵浦时使有机激光材料发射激光的环境的任何结构。入射光350用于泵浦激光材料330。优选地，激光材料330对入射光350的主导波长具有高吸收系数。入射光350在被激光材料330吸收时激励激光材料330的分子。这些被激励的分子随后衰变，产生具有要发射的激光的波长的光子。如双箭头360所图示的，这些光子可以在光学腔中来回跳动。这些光子中的一些变成由激光器300发射的激光370。光学泵浦osl装置在本领域中是众所周知的。可以使用不同于图3中示出的配置的具体配置。光学泵浦osl的设计标准，例如各种材料组合、将光学腔的光程长度与要发射的光的波长的倍数进行匹配、半反射层的反射率等，在本领域中是众所周知的。

图4示出使用梯度折射率(grin)透镜作为聚焦机构来将来自oled的光聚焦到osl上的本发明的实施例。装置400包括grin透镜420。grin透镜通常是圆柱体的形状，并且可以使用类似于用于光纤的方法的方法来制造。oled410被设置在grin透镜420的第一平面端上。osl430被设置在grin透镜420的第二平面端上。当把电能提供给oled410时，其电致发光。来自oled410的光进入grin透镜420，在grin透镜420中光被聚焦到osl410的区域。光被聚焦到其上的osl410的区域显著地小于提供光的oled410的区域。结果，聚焦到osl410上的光的强度显著地高于由oled410发射的光的强度。可以通过选择grin的参数来控制强度的增加。对于大多数情形，至少10倍的增加是优选的。至少100倍或至少1000倍的增加也可以很容易地实现，并且可能是希望的。不大于10,000倍的强度的增加应当适合于大部分的实施例。osl430的光学泵浦导致相干激光440的发射。

图5示出使用弯曲的oled作为聚焦机构来将来自oled的光聚焦到osl上的本发明的实施例。oled被制造在弯曲的基板510上。基板510是弯曲的，从而使得来自oled的光会聚到osl520的区域上，该区域显著地小于oled的发射区域。光530对osl520进行光学泵浦，从而导致激光540的发射。oled510的发射区域与光聚焦到其上的osl520的区域的比例的优选范围与参考图4描述的实施例相同。

图6图示grin透镜的节距概念。grin透镜通常具有节距。进入grin透镜的末端的均匀的准直光将沿grin透镜的长度在某一距离处会聚到小区域，并且沿grin透镜在其它的距离处将又发散。针对图4的实施例中的使用，例如，选择具有这样的长度的grin透镜是优选的，该长度使得进入透镜的一个末端的宽幅的准直光将被聚焦到这样的范围，该范围优选在透镜的另一个末端处。可以有优选的各种长度范围，这是由于为了实现强度上的希望的增加，不必将所有的光聚焦到一点。图4还示出一种方式，其中折射率可以横跨grin透镜的直径变化。在图4中图示的特定的分布是selfocgrin透镜的二次折射率分布，在该二次折射率分布中，在中心具有折射率n0，在边缘处具有零的折射率。selfoc是可以从nsgamerica,inc.购得的低成本grin透镜的商标名。

图7示出grin透镜的均匀的输入强度分布和计算的输出强度分布。用于计算的参数如下。该透镜具有如图6所示的二次分布，其具有二次折射率分布，其中n0＝1.607、直径d＝1mm、长度l＝2.58mm。该透镜具有0.608的梯度常数a，其确定抛物线折射率分布的陡度。

通过精确地求解非齐次的光线传播方程(非旁轴)来计算输出分布。这些方程是非线性联合常微分方程(ode)：

假定输入光被准直。分布710示出均匀的输入强度。分布720示出输出强度。相对于输入强度区的面积，输出强度区中的大部分光被聚焦在其上的面积减少了10⁴倍，并且输出区中的光的强度相应地变得更高。使用10w/cm²的均匀的输入强度(用传统的oled可以容易地实现该输入强度)，平均输出强度为100,000w/cm²。这大大地超出了对传统的osl进行光学泵浦所希望的100w/cm²。

图8示出与图7中图示的计算类似的计算，不同之处在于：没有假定输入光被准直，其假定输入光在半球上具有各向同性的角度分布，“各向同性的”输入通过使用具有各向同性的概率分布函数的1000条模拟光线来模拟。由于少量的光线，可能会观测到强度上的某些局部变化，但是这不会显著地影响可以使用各向同性的准直的输入实现的强度增加之间的比较。分布810示出了输入强度分布，分布821示出了输出强度分布。输入光的强度上的提高远小于在图7中图示的强度上的提高。该计算显示了，希望使用准直的输入光，或者使用至少具有准直度的光。在oled的情形中，通过使用具有适当的微腔的oled，可以容易地实现这样的准直光。

第一oled按如下制造。在2.5p分布式布拉格发射器(dbr)上制造oled。该oled依次包含下列层：140nm的溅射的铟锡氧化物(ito)/500nm的npd/150nm的bcp/300nm的alq/lif/al。dbr具有2.5个四分之一波长对，即，3层547a厚的sinx，具有两个插入其间的762a厚的sio2层。oled具有作为dbr和al电极的结果的微腔(lif/al电极的厚度是无关的—其足够厚以便是全反射的并且充分地导电)。oled被设计为发射在450nm处具有发射谱峰值的光。图9示出测量的归一化的oled的el谱。

图10示出图9的oled的计算的发射分布1010。在零度角处的峰值显示了，该发射分布是高度准直的。图10还示出第一oled的测量的量子效率(qe)与电流通量j(a/cm²)的关系图1020、以及功率(w)和通量j(a/cm²)与电压v的关系图1030。

第二oled按如下制造。在玻璃基板上，依次地沉积下列层：125nm的溅射的ito/500nm的npd/150nm的bcp/300nm的alq/lif/al。使用0.1sccm的o2和140sccm的ar以80w溅射ito，然后将其退火3个小时。ito的表面电阻被测量为35ω/□。第二oled是控制装置，其类似于第一oled但是没有dbr。图11示出第二oled的测量的归一化的el谱。图12示出第二oled的测量的量子效率(qe)与电流通量j(a/cm²)的关系图1210、以及功率(w)和通量j(a/cm²)与电压v的关系图1220。

具有第一oled的结构的oled被置于grin透镜上，其中oled的玻璃基板与grin透镜的末端接触。该grin透镜具有1mm的直径、折射率n0＝1.6073、a＝0.608，以及节距＝1/4(对应于2.58mm的长度)。图13示出从grin透镜输出的测量的光。该光显示了，相对于输入光，面积减小了20倍而强度增加了20倍。这样，采用图13中测量的具体配置，需要大约5w/cm²的oled强度以在osl上达到100w/cm²的强度。这对应于具有1mm直径的38mw的oled。实际使用的oled不是38mw，但是强度上的增加说明了，驱动osl所需的强度可以通过聚焦oled来实现。

图14示出针对在图13中图示的在x和y方向的横截面的强度分布。单位任意。

具有第一oled的结构的oled被置于grin透镜上，其中oled的玻璃基板与grin透镜的末端接触。该grin透镜具有1.8mm的直径、折射率n0＝1.6073、a＝0.339，以及节距＝1/4(对应于4.63mm的长度)。图15示出从grin透镜输出的测量的光。该光显示了，相对于输入光，面积减小了18倍而强度增加了18倍。

图14示出在图13中图示的焦斑在x和y方向上的横截面强度分布。单位是任意的。

图17示出与图5的弯曲的oled类似的弯曲的oled的计算的强度分布。x轴和y轴以任意单位表示位置。虚线1710是横截面，穿过该横截面获取用于图18的数据。图17示出相对于由弯曲的oled输出的光的强度的焦点区域中的增加的强度。

图18示出图17中图示的oled的强度分布。微腔发射分布1810示出在用来产生图17的计算中使用的假定的准直oled输出。焦平面强度分布1820示出针对在图17的虚线1710上的不同点计算的强度。在强度分布1820中示出的强度为任意单位。对于1-d微腔，在焦点处的强度是没有聚焦的oled强度的6.8倍。对于2-d微腔，在焦点处的强度是没有聚焦的oled强度的43.8倍。1-d微腔是这样的结构，其沿着一个维度具有周期性的折射率变化。实施方式包括分布式反馈光栅(dfb)或者分布式布拉格反射器(dbr)。2-d微腔沿着两个维度具有周期性的折射率变化，并且通常称为2-d光子晶体。通过产生允许的和不允许的光学模式的离散带，微腔可以调整发射模式。适当地设计的非周期性光栅也可以用于这样的应用。

图19示出对应于oled的光学微腔结构。该结构具有阴极1910、有机层1920、以及由交替的高折射率层1930和低折射率层1940形成的dbr。假定阴极是100％的反射的。有机层的特征在于对建模有用的参数nd/λ，其中n是折射率，d是厚度，λ是关注的波长(例如在oled的发射谱中的峰值波长)。假定阳极没有显著的光学效应，因此在图19中未示出。dbr由四个交替的具有2.2的折射率nh的高折射率层1930和具有1.5的折射率nh的低折射率层1940的循环形成。在图19中图示的结构被用于计算，得到在图20中图示的光学分布。

图20示出基于图19的结构的在各种假设下的若干个光学分布。绘图2010示出在零角度处的高度准直的发射，其中nd/λ为0.45，d为160mm，并且输出耦合效率η为7％。绘图2020示出高度准直的发射，但是在不是oled的表面的法线的方向上，其中，nd/λ为0.56，d为250mm，并且η为50％。绘图2030示出高度准直的发射，其中nd/λ为0.7，d为200mm，并且η为40％。图20显示了，微腔效应会根据不同的参数而变化。本领域的技术人员可以容易地选择这些参数来获得希望的微腔效应。

根据本发明的实施例制造的装置可以被并入各种各样的消费产品中，所述消费产品包括：平板显示器、计算机监视器、电视机、告示牌、用于内部或外部照明和/或发射信号的灯、头顶式显示器、全透明显示器、柔性显示器、激光打印机、电话、蜂窝电话、个人数字助理(pda)、膝上型计算机，数字照相机、摄像机、取景器、微型显示器、车辆、大面积墙壁、剧院或体育场屏幕或者标牌。各种控制机构可以用于控制根据本发明制造的装置，该装置包括无源矩阵和有源矩阵。很多装置计划在对人体舒适的温度范围(例如18摄氏度到30摄氏度，更优选地，在室温(20-25摄氏度))中使用。

这些图通常不会按照比例绘制。

应当理解，在本文中描述的各种实施例仅仅是举例的方式，并且不应当限制本发明的范围。例如，在本文中描述的很多材料和结构在不脱离本发明的精神的情况下可以由其它材料和结构代替。因此，要求保护的本发明可以包括本文中描述的特定实施例和优选实施例的变型，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。应当理解，关于本发明为什么工作的各种理论不应当是限制性的。