(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）発光層と、該発光層を横切る電場を印加するための手段とを有する非干渉性光放出デバイスであって、該非干渉性光放出デバイスから伝送されて出てくる光を発生させるもの、並びに
ｂ）該非干渉性光放出デバイスから伝送されてきたポンプビーム光を受けるように配置された垂直レーザ共振器構造体であって、下記(1)〜(3)：
(1) 該非干渉性光放出デバイスからの該ポンプビーム光を受け、かつ、伝送するための第１DBRミラー、
(2) 該第１DBRミラーを通して伝送されたポンプビーム光を受け、かつ、該第１DBRミラーで反射されたレーザ光を受けるための、レーザ光を発生させるための有機活性層、並びに
(3) 該有機活性層からのレーザ光とポンプビーム光とを反射して該有機活性層へ戻すための第２DBRミラー
を含み、該第１DBRミラーと該第２DBRミラーのうち一方の反射率が９８％より高く、かつ、その他方の反射率が９９．９％より高いことにより、反射率が９８％より高いDBRミラーを通して該レーザ光が放出されるもの
を含んで成るレーザ発光装置。
【請求項２】
ａ）発光層と、該発光層を横切る電場を印加するための手段とを有する有機発光デバイスであって、該有機発光デバイスから伝送されて出てくる光を発生させるもの、並びに
ｂ）該有機発光デバイスから伝送されてきたポンプビーム光を受けるように配置された垂直レーザ共振器構造体であって、下記(1)〜(3)：
(1) 該有機発光デバイスからの該ポンプビーム光を受け、かつ、伝送するための第１DBRミラーであって、所定の波長範囲にわたるレーザ光に対して反射性であるもの、
(2) 該第１DBRミラーを通して伝送されたポンプビーム光を受け、かつ、該第１DBRミラーで反射されたレーザ光を受けるための、レーザ光を発生させるための有機活性層、並びに
(3) 該有機活性層からのレーザ光及び伝送されてきたポンプビーム光を反射して該有機活性層へ戻すための第２DBRミラー
を含み、該第１DBRミラーと該第２DBRミラーのうち一方の反射率が９８％より高く、かつ、その他方の反射率が９９．９％より高いことにより、反射率が９８％より高いDBRミラーを通して該レーザ光が放出されるもの
を含んで成るレーザ発光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光装置の分野、特に有機系固体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
過去数年間にわたり、有機系固体レーザの製造に対する興味が増しつつある。レーザ動作材料は高分子又は低分子であり、そして、マイクロ共振器(Kozlovらの米国特許第6,160,828号)、導波路、リングマイクロレーザ、及び分布帰還(例えば、G. Kranzelbinderら、Rep. Prog. Phys. 63, 729[2000]及びM. Diaz-Garciaらの米国特許第5,881,083号参照)のような数種類の共振器構造体が採用された。これらの構造体のすべてにまつわる問題の一つは、レーザ動作を実現するためには、別のレーザ光源を使用した光ポンピングによって共振器を励起しなければならないことである。レーザ共振器を電気的にポンピングすることは、一般によりコンパクトで一段と変調し易い構造体となるため、はるかに好ましいことである。
【０００３】
電気ポンピング式有機物レーザの実現に対する主な障壁は、有機材料のキャリヤ移動度が、典型的に10-5cm2/(V-s)程度と低いことである。キャリヤ移動度がこのように低いと、いくつかの問題を生じる。キャリヤ移動度の低いデバイスは、大幅な電圧降下及びオーミック加熱を回避するため、典型的には薄層を使用せざるを得ない。これらの薄層は、損失的なカソード及びアノードへ貫入するレーザ動作モードをもたらすため、レーザ動作しきい値の大幅な増加を引き起こす（V.G. Kozlovら、J. Appl. Phys. 84, 4096[1998]）。有機材料中の電子−正孔再結合はランジュバン再結合（その割合はキャリヤ移動度に比例する）に支配されるので、キャリヤ移動度が低いと、シングル励起子よりも電荷の程度が高いキャリヤをもたらし、その結果の一つとして、電荷誘導型（ポーラロン）吸収が顕著な損失機構となり得ることがある（N. Tesslerら、Appl. Phys. Lett. 74, 2764[1999]）。レーザデバイスの内部量子効率を５％と仮定し、今までに報告されているレーザ動作しきい値の最低値〜100 W/cm2(M. Berggren et al., Nature 389, 466[1997])を用い、かつ、上述した損失機構を無視したとすると、電気的ポンピング式レーザ動作しきい値の下限値は1000 A/cm2となる。これらの損失機構を含めると、レーザ動作しきい値は1000 A/cm2をはるかに上回ることとなるが、これは、有機系デバイスが耐えられる電流密度としては、これまでに報告されている最も高い値である(N. Tessler, Adv. Mater. 19, 64[1998])。
【０００４】
これらの困難を回避する方法の一つは、レーザ動作媒質として非晶質有機材料の代わりに結晶性有機材料を使用する方法である。この方法が最近採用され（J.H. Schon, Science 289, 599[2000]）、単結晶テトラセンを使用したファブリー・ペロ共振器が構築された。結晶性テトラセンを使用したことにより、キャリヤ移動度が２cm2/(V-s)程度となり、かつ、ポーラロン吸収がはるかに低くなるため、より大きな電流密度を得ることができ、より厚い層を使用することができる。この結果、室温しきい値電流密度は約1500 A/cm2となる。有機系レーザの利点の一つは、その材料が非晶質であることが典型的であるため、デバイスを安価に形成することができ、かつ、どのようなタイプの基板上でも成長させることができることにある。単結晶型有機系レーザ法では、これら二つの利点が失われる。
【０００５】
その他の提案として、有機系レーザ共振器を、無機系(M.D. McGehee et al.,Appl. Phys. Lett. 72, 1536[1998])又は有機系(Berggrenらの米国特許第5,881,089号)の発光ダイオード（LED）でポンピングする方式がある。McGeheeら(M.D. McGehee et al.,Appl. Phys. Lett. 72, 1536[1998])は、InGaN系LEDを使用してレーザをポンピングするためには、しきい値を少なくとも１オーダー下げる必要があると述べている。Berggrenら（米国特許第5,881,089号）は、デバイスのある部分（有機LED部）が非干渉性放射を提供し、一方、隣接する部分（レーザ共振器）がオプティカルダウンコンバージョン、ゲイン及びオプティカルフィードバックを提供する、そのような全有機系単一レーザの製造を提案している。Berggrenらは、レーザ動作共振器が、ファセットを含む導波路、分布帰還導波路型共振器、分布ブラッグ反射体導波路型共振器又は光格子共振器のいずれかであるべきであると述べている。Berggrenらは、当該デバイスの有機発光ダイオード（OLED）部分についてのデータ（電流−電圧特性及び電圧―輝度特性）を示したにすぎない。当該デバイスのレーザ動作特性に関しては、〜620 nmの干渉性放射が得られたとのコメントしかない。Berggrenらはデバイスのレーザ動作に関して何ら詳細な説明を提供していないため、当該デバイスが、そのOLED部分からの励起の結果としてレーザ動作したのかどうかについて決定することは困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、非干渉性光放出デバイスにより発生させた光を、レーザ光を発生させるためのレーザ共振器構造体への入力として使用するための配置を改良することにある。非干渉性光放出デバイスからの非干渉性光を受けることに、垂直レーザ共振器が特に適していることがわかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、
ａ）発光層と、該発光層を横切る電場を印加するための手段とを有する非干渉性光放出デバイスであって、該非干渉性光放出デバイスから伝送されて出てくる光を発生させるもの、並びに
ｂ）該非干渉性光放出デバイスから伝送されてきたポンプビーム光を受けるように配置された垂直レーザ共振器構造体であって、下記(1)〜(3)：
(1) 該非干渉性光放出デバイスからの該ポンプビーム光を受け、かつ、伝送するための第１DBRミラー、
(2) 該第１DBRミラーを通して伝送されたポンプビーム光を受け、かつ、該第１DBRミラーで反射されたレーザ光を受けるための、レーザ光を発生させるための有機活性層、並びに
(3) 該有機活性層からのレーザ光とポンプビーム光とを反射して該有機活性層へ戻すための第２DBRミラー
を含み、該第１DBRミラーと該第２DBRミラーのうち一方の反射率が９８％より高く、かつ、その他方の反射率が９９．９％より高いことにより、反射率が９８％より高いDBRミラーを通して該レーザ光が放出されるもの
を含んで成るレーザ発光装置によって達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
二部型電気駆動式有機固体レーザ装置の構成と性能をより一層認識するため、図１に示した従来技術の有機レーザ共振器デバイスについて説明する。
図１に示した従来技術の有機レーザ共振器デバイス１００は、透明基板１０５を有し、その上にミラー層１１０が形成されている。透明基板１０５はガラス又は石英であることができ、一方、ミラー層１１０は分布型ブラッグ反射体（DBR）誘電体ミラースタックである。DBRミラーは厚さλ／４の誘電体層からなる。ここでλは、DBRミラー反射性ストップバンドの中心波長を表し、そして該スタックは屈折率の高い層と低い層とが交互するものである。DBRミラーの反射率は９９％を上回ることが典型的である。DBRミラーを形成するのに用いられる典型的な誘電体は、低屈折率材料の場合はSiO2であり、また高屈折率材料の場合はTiO2又はTa2O5である。DBRミラー１１０の上に有機活性層１１５が形成されている。活性層１１５は、低分子量有機材料又は共役ポリマー系有機材料のいずれから構成されていてもよい。低分子量有機材料は、高真空熱蒸発法で堆積されることが典型的である。一方、共役系ポリマーは、通常はスピンキャスト法で形成される。活性層１１５の上には熱蒸発法で金属１２０が堆積される。典型的な金属は、銀又はアルミニウムであって反射率が９０％を上回るものである。デバイス１００をレーザ動作させるため、活性材料１１５を入射光線１２５で光ポンピングする。入射光線１２５は活性層１１５に高い光エネルギー密度を送らなければならないという要件のため、入射光源としてレーザを適当なレンズと併用することが典型的である。活性材料１１５は入射ポンプ光線を吸収し、そしてそのエネルギーの一部をより長い波長の光として放出する。長波長光の一部は望ましくない自然放出として放出され、一方、別の一部は誘導放出１３０として放出されて、当該層の平面に対して法線方向に向かい、底部のDBRミラー１１０と透明基板１０５を通ってデバイスを出ていく。
【０００９】
従来技術のデバイス１００のレーザ動作しきい値が高いのは、多くの因子によるためである。反射体の一つとして金属層を使用すると、レーザ共振器の内部で一往復する毎にレーザ光の約１０％が損失することとなる。さらに、〜１５０nmの活性層の内部に金属を有すると、活性材料の蛍光が著しくクエンチングすることになりかねない（K.B. Kahen, Appl. Phys. Lett. 78, 1649[2001]）。また、活性材料として共役系ポリマーを使用することが典型的である。これらの材料はスピンキャスト法で堆積されるので、活性層の表面上で厚さを十分均一にすることが困難である。厚さが不均一であると、デバイスの横方向位を関数とする往復位相に差が生じることとなる。その結果、破壊的干渉が起こり、このことがしきい値を一層高くすることになりかねない。共役ポリマー系活性層（ホスト−ドーパントの組合せを使用しないもの）に関する別の問題は、レーザ動作波長において、なおも活性材料からの有意な吸収が存在していることである。
【００１０】
図２は、本発明により製造された電気ポンピング式有機固体レーザ装置２００の略横断面図である。該装置は二つの部分から成るものである。第１部分２０１は垂直レーザ共振器であるが、従来技術のものとは、基板２０５が透明又は光学的高濃度であることができ、反射体２１０及び２２０がどちらもDBRミラーであり、そして活性層２１５が、ホスト−ドーパント材料系を採用する有機物から形成されている点において、相違する。好適な実施態様では、層２０５はSi系基板であるが、DBRミラーを成長させることができる光学的に平坦な基板であればどのような基板であってもよい。基板２０５の上にDBRミラー２１０が堆積されている。当該誘電体層の厚さを正確にすることが重要なので、常用のスパッタ堆積法又は電子ビーム（e-ビーム）堆積法で成長させることが好ましい。垂直レーザ共振器の最適性能を得るため、ボトムDBRミラーは、レーザ光２３０のみならず、入ってくるOLED光２２５をも反射するように設計される。結果的に、λ／４厚の高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層を交互に堆積させる（λは所望のレーザ動作波長に近くなるように選定される）のとは別に、OLED光２２５について幅広い反射最大値が得られるように、追加の高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層を交互に堆積させる。特に、OLED光２２５のうち活性層２１５のホスト材料によって吸収される部分を反射する必要があるだけである。レーザ動作波長において、ボトムDBRミラーの反射率が99.9％よりも高く、一方、OLED光２２５の反射率極大値が90％よりも高いことが好ましい。DBRミラー２１０の上に有機活性層２１５が堆積される。これは、常用の高真空（10-7Torr）熱蒸着法又は溶液からのスピンキャスト法によって形成することができる。しきい値を低くするためには、活性層２１５の厚さをλ／２（λはレーザ動作波長）の整数倍にすることが好ましい。最低しきい値は整数倍が１又は２である場合に得られる。活性層２１５はホスト及びドーパント有機分子を含んで成る。当該有機分子は、現在のところより均一に堆積することができるので、低分子量のものであることが好ましい。本発明に用いられるホスト材料は、OLED光２２５を十分に吸収し、かつ、その励起エネルギーの大部分をフェルスターエネルギー伝達機構によりドーパント材料へ伝達することができるいずれの材料からでも選ばれる。当業者であれば、ホスト分子とドーパント分子との間の無放射エネルギー伝達を意味するフェルスターエネルギー伝達の概念には精通している。赤色発光レーザについて有用なホスト−ドーパントの組合せの一例として、アルミニウムトリス（8-ヒドロキシキノリン）(Alq)をホストとし、4-(ジシアノメチレン)-2-t-ブチル-6-(1,1,7,7-テトラメチルジュロリジル-9-エニル)-4H-ピラン(DCJTB)を赤発光性ドーパントとした組合せが挙げられる。活性層２１５の上にDBRミラー２２０を堆積する。この場合も常用のe-ビーム堆積法で堆積されるが、今回は堆積工程中の有機物温度を75℃未満に維持することが好ましい。DBRミラー２２０は、レーザ動作波長λ1において高い反射率が得られるように厚さλ／４の高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とを交互させたものからなり、さらに、OLED光２２５について幅広い透過極大が得られるように追加の高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層を交互に堆積する。レーザ動作波長において、トップDBRミラー２２０の反射率が98％を上回り、一方でOLED光２２５の90％超を透過することが好ましい。
【００１１】
有機固体レーザデバイス２００の第２部分２３１は、スペクトルの所定範囲内の非干渉性光を発生させる１又は２以上の電気駆動式有機発光ダイオードデバイスである。OLEDデバイスの一例として、譲受人共通のHungらの米国特許第6,172,459号とその中で引用されている文献を参照されたい。これらの開示事項を本明細書の一部とする。
【００１２】
有機発光デバイス２３１は透明基板２３５を有し、その上に透明正孔注入性アノード２４０が形成されている。基板２３５はガラス又は石英であることができる。アノード２４０は、基板２３５の上に形成されたインジウム錫酸化物(ITO)の薄層であることが好ましい。ITOは、蒸発法、スパッタ法又は化学的気相成長法により堆積することができ、その好適な厚さ範囲は２０〜１５０nmである。アノード２４０の上に有機正孔輸送層２４５を形成し、有機正孔輸送層２４５の上に有機発光層２５０を形成し、そして有機発光層２５０の上に有機電子輸送層２５５を形成する。これら３層の一例として、有用な構造体は、正孔輸送層２４５として4,4’-ビス[N-(1-ナフチル)-N-フェニルアミノ]ビフェニル(NPB)のようなジアミン層と、発光層２５０として無ドープ型9,10-ビス(2-ナフタレニル)アントラセン(ADN)と、電子輸送層２５５としてAlqとを含む。これらの有機物は高真空熱蒸発法により製造されることが典型的である。好適な厚さは、NPBは４０〜２５０nm、ADNは１０〜５０nm、そしてAlqは１０〜２００nmの各範囲内である。最後に、電子輸送層２５５の上に、仕事関数が４.０eV未満となるように選ばれた材料のカソード層２６０を形成する。好適なカソード層２６０は、Mg：Ag体積比が10:1のMgAgである。カソード層は、常用の熱蒸着法により、層厚の好適な範囲５０〜３００nmで形成することができる。当該技術分野では周知であるように、アノードとカソードの間に電圧Ｖを印加して発光層からポンプビーム光を発生させるのに必要な電場を提供することができる。該ビーム光は有機発光ダイオードデバイスから透過して出てくる。電圧Ｖは連続的であってもパルス状であってもよい。
【００１３】
典型的なバイアス条件下、電子（負電荷キャリヤ）がカソード２６０から有機電子輸送層２５５に注入され、そして正孔（正電荷キャリヤ）がアノード２４０から有機正孔輸送層２４５に注入される。電子と正孔はそれぞれ対応する有機層２５５及び２４５を介して輸送されて有機発光層２５０に送り込まれる。有機発光層２５０において、電子と正孔は、正孔輸送層２４５と発光層２５０の接合部付近で主として再結合する。再結合の結果、有機発光層２５０から光が放出される。発光層で放出された光のうち、約５０％は基板２３５の方向に直接放出され、残る５０％はカソード２６０の方向に向けて放出され、その一部が反射されて基板の方向へ戻ってくる。戻り反射光と直接放出光とが一緒になって全体光２２５となり、該デバイスの基板２３５から出てくる。
【００１４】
有機発光デバイス２３１を出た後のOLED光２２５は、トップDBRミラー２２０を通ってレーザ共振器２０１に入る。トップDBRミラーの設計の結果、当該光の大部分が活性層２１５内へ通過していく。構成により、活性層ホストがOLED光２２５の一部を吸収する。（活性層の吸収長が小さすぎる場合に）吸収されなかった光の部分のうち、光２２５の残りの部分がボトムDBRミラー層２１０に入り、そこで設計により、当該光の大部分が反射されて第２の通過のため活性層内に戻る。第２の通過の際に、OLED光２２５の追加部分が活性層ホストにより吸収される。フェルスターエネルギー伝達機構により、ホストにより吸収された光エネルギーがドーパント分子へ無放射伝達される。ドーパント分子の放出のための量子効率が高いと、無放射伝達エネルギーの大部分がより長い波長の光として再放出されることとなるため、好ましい。例えば、OLED光放出材料としてADNを、活性層ホストとしてAlqを、そして活性層ドーパントとしてDCJTBを使用すると、OLED放出光は青色になり、Alqは主として青色で吸収し、一方でDCJTBは赤色で放出する。レーザ共振器２０１は、赤色光、特にトップ及びボトムDBRミラーの反射率が最大となる波長に対して、高Ｑ値共振器となるように設計される。当業者は、正味の利得が最高となる特定波長においてレーザ動作が起こる概念に精通している。その波長において、レーザ光２３０はトップDBRミラーとボトムDBRミラーとの間で何回も反射を繰り返した後、（設計によりボトムDBRミラーはトップDBRミラーよりもミラー損失がはるかに低いため）主としてトップDBRミラー２２０を通して放出される。
【００１５】
図３に本発明による別の例示態様の略図を示す。図３では、垂直レーザ共振器と電気駆動式有機発光ダイオードデバイスとが合体して集積デバイスとなっている。図３の有機固体レーザデバイスは、下記の点を除いて、図２のレーザと同様に動作する。この態様では、透明基板層２３５が、垂直レーザ共振器とOLEDデバイスとの双方の基板となっている。図２の場合との主な相違点の別のものは、OLED光２２５が垂直レーザ共振器にボトムDBRミラー２１０を通して入ることである。結果的に、ボトムDBRミラー２１０は、レーザ光２３０の波長においてその反射率が99.9％超となり、かつ、OLED光２２５の90％超を透過するように、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とを交互に配したものからなる。これに対応するように、トップDBRミラー２２０は、レーザ光２３０の波長においてその反射率が98％超となり、かつ、OLED光２２５の90％超を反射するように、高屈折率誘電体層と低屈折率誘電体層とを交互に配したものからなる。本発明には、非干渉性光源を基板上に直接搭載し、そして該非干渉性光源の上に垂直レーザ共振器構造体を搭載する態様も包含されることに留意されたい。
【００１６】
【実施例】
以下の実施例は、本発明の理解をより一層深めるためのものであり、本発明を限定するものと解釈してはならない。
例１
図２に示した有機固体レーザデバイスの一般的レーザ動作特性を測定するため、予め清浄しておいた４インチ(10.16cm)Si基板の上に垂直レーザ共振器構造体を形成した。その基板上に、常用のe-ビーム堆積法で、それぞれTa2O5及びSiO2からなる高屈折率層及び低屈折率層を交互に配して成るボトムDBRミラーを堆積させた。得られたミラーの600〜720nm間の反射率ストップバンドは99％を超えており、その中心波長660nmにおける反射率は99.999％を超えた。ボトムDBRミラーの上に、高真空熱蒸着法により、DCJTBを１％ドープした200nmのAlqからなる活性層を堆積した。最後に、低温e-ビーム堆積法で、Si基板の測定温度が72℃未満に維持されるようにして、トップDBRミラーを堆積させた。トップDBRミラーは、それぞれTiO2及びSiO2からなる高屈折率層及び低屈折率層を交互に配して成るものとした。得られたミラーの665〜775nm間の反射率ストップバンドは99％を超えており、その中心波長720nmにおける反射率は99.9％を超えた。活性層の厚さは、当該垂直レーザ共振器構造体のレーザ動作波長λ1が約690nmとなるように選定した。より具体的には、活性層の厚さをλ1/2nとなるように選定した。ここで、ｎ(=1.691)は690nmにおける当該活性材料の屈折率測定値である。
【００１７】
上記垂直レーザ共振器構造体を、青色GaNレーザダイオード（λ=419nm）によって光ポンピングした。該ダイオードは、８Ｖにおいて４KHzの反復速度でファンクション・ジェネレータ（ＨＰ）により駆動して50nsのパルスを得た。８Ｖにおいて該ダイオードは〜30mWcwを発揮することが測定された。160mmレンズを使用し、ポンプビームを垂直レーザ共振器構造体の表面上にスポットサイズ測定値が62μｍとなるように垂直に集束させた。パルスのエネルギーを、較正中性濃度フィルターを使用して変更した。共振器垂直方向の放出スペクトル（約16°の全角許容円錐）を、ダブルモノクロメータ(Spex)を使用して周波数分散させ、冷却した光電子増倍管(Hamamatsu)で検出した。
【００１８】
図４に、684nmにおけるレーザ遷移及び626nmにおける自然放出ピークの両方について、出力の励起入力依存性のlog-logプロットを示す。626nmにおける自然放出ピークは、トップDBRミラーの反射率が反射率ストップバンド(665-775nm)を超えたところで急落することによる。このため、626nmにおいて、トップスタックの反射率測定値は約３％となる。図面からわかるように、レーザ動作遷移だけが低励起エネルギーの場合に出力プロットにおいてキンクを示すが、どちらの遷移も高パワー密度においてクエンチング現象によりロールオフする。さらに重要なことは、ポンプパワー密度のしきい値が約0.06 W/cm2（又は3 nJ/cm2）と、これまでに文献報告された最低しきい値（M. Berggren et al., Nature 389, 466[1997]及びT. Granlund et al., Chem. Phys. Lett. 288, 879[1998]）よりも数オーダー低いことである。最後に、該図面は、レーザ動作遷移の勾配が自然放出よりも大きい（0.75に対して0.91）ことを示している。出力プロットにおけるキンク及びレーザ動作遷移の方が勾配が大きいことの他、レーザ動作のさらなる証拠を図５に示す。図５は、684nm付近のレーザ動作ピークの高解像度スペクトルを示す。当該ピークのFWHMは0.4nmであり、これはモノクロメータの解像限界にあたるので、レーザ動作遷移は少なくともこのくらいは狭い。一方、自然放出ピークのFWHM測定値は626nmにおいて７nmである。どちらのピークも0.6 W/cm2の入力（レーザ動作しきい値よりも１オーダー高い値）で測定した。
【００１９】
本例は、本発明による垂直レーザ共振器構造体を採用することにより、極めて低いレーザ動作しきい値が得られることを例証するものである。このようにしきい値が低くなる結果、これらのレーザ共振器を非干渉性光源によって励起することが可能となる。
【００２０】
例２
本例において、例１に記載したものと類似の垂直レーザ共振器構造体について説明する。これらの共振器（Si基板付き）は、公称値として660nmでレーザ動作するように設計し構築した。共振器Ａの活性層厚はλ1/2n(=195nm)とし、共振器Ｂの活性層厚はλ1/n(=390nm)とし、そして共振器Ｃの活性層厚は2λ1/n(=780nm)とした。これら３種の活性層はいずれもDCJTBを１％ドープしたAlqからなるものとした。トップ及びボトムDBRミラーは、これら３種のいずれも同一とし、以下のように構築した。ボトムDBRミラーは、それぞれTiO2及びSiO2からなる高屈折率層及び低屈折率層を交互に配して成るものとした。得られたミラーの580〜750nm間の反射率ストップバンドは99％を超えており、その中心波長665nmにおける反射率は99.999％を超えた。さらに、当該ミラーは445nmを中心とする幅広い反射率極大を有し、そのピーク反射率は92％を超えた。トップDBRミラーも、それぞれTiO2及びSiO2からなる高屈折率層及び低屈折率層を交互に配して成るものとした。得られたミラーの625〜745nm間の反射率ストップバンドは99％を超えており、その中心波長685nmにおける反射率は99.9％を超えた。さらに、当該ミラーは445nmを中心とする幅広い透過率極大を有し、その平均透過率は97％を超えた。
【００２１】
図６に、共振器Ａ（活性層厚195nm）及び共振器Ｃ（活性層厚780nm）について、出力の励起入力依存性のlog-logプロットを示す。励起光源は、同様に８Ｖにおいて５KHzの反復速度で動作し50ns幅のパルスを発生するGaNレーザダイオードとした。共振器Ａのレーザ遷移は671.5nmで起こり、共振器Ｃのレーザ遷移は681nmで起こった。図面は、含まれる活性層が厚い方のマイクロ共振器について、レーザ動作遷移がより顕著になったことを示している。こうしたマイクロ共振器の所見は、従前より横山ら(H. Yokoyama et al., Appl. Phys. Lett. 58, 2598[1991])が認めており、当該垂直共振器がレーザ光を発している追加の証拠となる。また、横山らの結果と一致するが、当該図面は、活性層の厚さが195nmから780nmへと厚くなると、しきい値パワーが増大する(0.07 W/cm2から0.22 W/cm2へ)ことを示している。共振器Ｃについては、高勾配遷移領域の端部においてしきい値パワー密度がとられており、多分以上に該しきい値が該遷移領域内部のどこかで起こっていることに留意すべきである。
【００２２】
共振器Ａについて、図７に、励起入力を７W/cm2（レーザ動作しきい値より２オーダー高い値）とした場合の、671.5nmにおけるレーザ動作遷移と、約594nmにおける自然放出ピークのスペクトルを示す。再度、当該自然放出ピークは、トップDBRミラーの反射率がその反射率ストップバンド(625-745nm)を超えたところで急落することによるようである。上述したように、そのFWHMは〜７nmである。本図は、該共振器の放出スペクトルが高利得の分光的に狭いレーザ遷移によって完全に支配されていることを示すものである。
【００２３】
図８に、共振器Ｂ（活性層厚390nm）について、３種の励起入力ビーム条件（共振器B1、B2及びB3）で出力の励起入力依存性のlog-logプロットを示す。共振器B1〜B3は３種のレーザポンプビーム条件をさす：B1）反復速度10 KHz、パルス幅10 ns、62μm円形ビームスポット；B2）反復速度４ KHz、パルス幅50 ns、2.5mm幅正方形ビームスポット；B3）反復速度４ KHz、パルス幅２μs、2.5mm幅正方形ビームスポット。これら３種のすべてを、それぞれ８V、８V及び７V（７Vは〜22 mWcwに相当）の電圧で動作するGaNレーザダイオードで励起させた。３種の共振器はどれも666 nm付近のレーザ動作波長を示した。本図の一般的傾向は、しきい値パワー密度が、ビームスポットサイズの増加及びパルス幅の増加の双方により低下することである（後述）。図８と図６の結果を比較すると、共振器B1(0.14 W/cm2)のしきい値パワー密度は共振器Ａ(0.07 W/cm2)及び共振器Ｃ(0.22 W/cm2)の結果と一致しているように見える。その結果、ポンプビームのパルス幅を10 nsから50 nsとすることには、影響がまったくない（あったとしても小さい）ように見える。共振器B1と共振器B2を比較すると、入力ビームスポット面積が2000倍増大した結果、しきい値は35分の１に低下することがわかる。留意すべき重要な点は、しきい値の上下のlog-logパワー曲線勾配がこれら２種の条件について非常に類似していることである：共振器B1では0.68及び0.96、共振器B2では0.71及び0.91（共振器Ａの対応する勾配は0.76及び0.92であることに留意）。次に、共振器B2と共振器B3を比較すると、パルス幅を50 nsから２μsに増加させたことにより、しきい値パワー密度が10分の１の0.0004 W/cm2にさらに低下したことがわかる。注目すべきは、しきい値の上のlog-logパワー曲線勾配は0.92でほぼ一定のままであるのに対し、しきい値の下の勾配が顕著に1.24に増加する（レーザ遷移領域になる）ことである。これらの結果の両方を総合する（共振器B1と共振器B3を比較する）と、スポットサイズを３×10-5から0.0063cm2に増加させ、かつ、ポンプビーム幅を50 nsから２μsに増加させることにより、しきい値パワー密度の減少幅は２オーダー以上となる。最後に、共振器B3について、そのパワー変換効率（レーザ出力をポンプビーム入力で割ったもの）を測定したところ、しきい値入力パワー密度より１オーダー高いところで約0.06％であった。結果的に、１μWの赤色出力を得るためには1.67mWの青色入力が必要となる。トップDBRミラー反射率を低下させ、かつ、レーザ動作モードにいくらかの横方向閉込めを提供することにより、パワー変換効率数を相当に増加させることができる。
【００２４】
本例は、まったく意外なことに、ポンプビームパルス幅及びビームサイズの増加により、レーザ動作しきい値パワー密度を著しく低下させることができ、さらにはOLED駆動式（電気ポンピング式）レーザ共振器を可能ならしめることを例証するものである。
【００２５】
例３
本例は、図２に示した態様の一例であって、有機発光ダイオード２３１からの非干渉性光出力２２５を利用して垂直レーザ共振器構造体２０１を駆動させるものである。垂直レーザ共振器構造体としては例２に記載した共振器Ａ及び共振器Ｂを使用し、一方、OLEDデバイスは以下のように構築した。
a) 厚さ85nmのITO被覆ガラスからなる透明アノードを、市販の洗剤で超音波処理し、脱イオン水でリンスし、トルエン蒸気で脱脂し、そして強酸化剤を接触させた。
b) 該ITOアノードの上に、常用の熱蒸着法で、厚さ150 nmのNPB正孔輸送層を堆積させた。
c) 該NPB層の上に、常用の熱蒸着法で、厚さ30 nmのADN発光層を堆積させた。
d) 該発光層の上に、常用の熱蒸着法で、厚さ20 nmのAlq電子輸送層を堆積させた。
e) 該電子輸送層の上に、常用の熱蒸着法で、厚さ100 nmのMgAgカソードを堆積させた。体積比Mg:Agは10:1とした。
【００２６】
該OLEDデバイスを、高インピーダンス負荷に０〜24Ｖを送ることができる増幅器(Avtech)を直列に接続したファンクション・ジェネレータ(HP)によって電気的に駆動した。該OLEDデバイスに送られる電流をモニターするため、該OLEDと直列に27Ωの抵抗器を配置して、その電圧を100 MHzデジタル式オシロスコープ(Textronics)によって測定した。一対の60mmレンズを使用して、垂直レーザ共振器構造体の表面に法線方向から該OLED画素(3 mm×3 mm)の出力を１：１で画像形成した。
【００２７】
ｃｗ駆動電流20 mA/cm2において、該OLEDデバイスの放射輝度測定値（法線表示方向で収集）は1.46 W/(Sr-m2)であった。図９に、該OLEDデバイスの相対放射輝度の分光プロットを示す。該図面からわかるように、ピーク放射輝度は448 nmに位置する。Alqの吸収係数は450 nmにおいて急に低下し始めるので、該OLED出力の一部しかレーザ共振器によって吸収されない。
【００２８】
図１０に、該OLEDデバイスが発した非干渉性光で駆動させた共振器Ａのレーザ出力のスペクトルを示す。結果は、しきい値をちょうど上回るOLED電流におけるものである。スペクトルは、図５で使用した場合よりも若干解像度の低い（0.40 nmの代わりに0.55 nm）モノクロメータで測定したものである。その結果、レーザ線のFWHMは0.55 nmである。また、62μmのスポットに集束させた50 ns幅のレーザパルスによって駆動させた共振器Ａについて、図１０に使用したモノクロメータで測定した分光幅も0.55 nmであったことにも留意すべきである。結果的に、レーザ動作遷移の狭さは（時間及び領域の）拡張や非干渉性入力ポンプビームによっては影響を受けない。
【００２９】
図１１に、電気ポンピング式有機固体レーザデバイス（共振器Ｂは垂直レーザ共振器構造体である）について、レーザ出力のOLED電流密度依存性を表すlog-logプロットを示す。結果は、２種の電流パルス幅２μs及び８μsについて得られたものであるが、どちらも反復速度は４KHzとした。当該log-logパワー曲線は各々三つの直線区域（及び対応する二つのキンク）を示す。log-logパワープロットの第１線形部分の勾配が高いのは、OLED駆動電流が小さい場合に１μsのオーダーにあるOLEDデバイスのRC時定数の非線形効果による。２μsのパルスを与えたデバイスの場合、中間及び上方の線形区域の勾配はそれぞれ1.22及び1.04となり、先に共振器B3（駆動する入力レーザビームのビーム形状及びパルス幅を該OLED出力のものとほぼ一致させたことを除き、同一のレーザ共振器）に関連して例２で報告した勾配1.24及び0.92に非常に近似している。レーザ駆動式垂直レーザ共振器とOLED駆動式垂直レーザ共振器のパワー勾配間の類似性は、パワー曲線の特徴が、ポンプビームパワー光源のコヒーレンシー又は分光特性のいずれにも依存しないことを示すものである。８μsのパルスを与えたデバイスの場合、図１１は、２μsのパルスを与えたデバイスと同様に挙動することを示しており、中間及び上方の区域の線形勾配は、それぞれ1.13及び0.98である。該図面はまた、２μs及び８μsのパルスを与えたデバイスのしきい値電流が、それぞれ約0.5及び0.3 A/cm2であることも示している。上述したように、Schon et al. (J.H. Schon, Science 289, 599[2000])が最近報告した電気ポンピング式結晶性有機物レーザのしきい値電流は1500 A/cm2であり、本例のデバイスより5000倍も高い。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の利点は、トップ反射体とボトム反射体の双方に反射率の高い誘電体の多層反射鏡を内蔵した垂直共振器設計を採用し、かつ、当該活性材料を低分子量有機材料から構成したことにある。その結果、レーザ共振器のしきい値が非常に低くなる。これは、(1)活性容量が小さいこと、(2)損失が極めて小さく、かつ、反射性が高い、誘電体鏡を使用したこと、(3)レーザ動作媒質を、ボトムの誘電体スタックの上に非常に均一に堆積することができる低分子量有機材料から構成したこと、そして(4)レーザ動作媒質を、ホスト有機材料（非干渉性放射を吸収する）と小体積比率のドーパント有機材料（レーザ光を放出する）とから構成することにより、量子効率を高め、かつ、散乱・吸収による損失を小さくした結果である。また、まったく意外なことに、ポンプ光ビームの横断面積及びパルス幅（マイクロ秒オーダー）を顕著に大きくした結果として、しきい値パワー密度が数オーダー低下したことを見出した。垂直レーザ共振器のしきい値が非常に低くなった結果、該共振器をレーザ動作させるためにパワー密度の高いデバイス（集束レーザ光）を使用する必要がなくなる。その結果、該レーザ共振器をポンピングするための光源として、未集束OLED放射のようなパワー密度の低いデバイスを使用することで十分となる。有機系レーザ共振器にOLEDポンプ光源を組み合わせた結果、発光出力を広い波長範囲にわたり調節することができる融通性のある安価なレーザ光源が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の有機固体レーザデバイスを示す略横断面図である。
【図２】本発明により製造された電気ポンピング式有機固体レーザ装置を示す略横断面図である。該装置は二つの部分から成る。第１部分は、非干渉性輻射線を放出する電気駆動式OLEDデバイスであり、第２部分は、該OLED輻射線を吸収し、かつ、より波長の長いレーザ光を放出する、しきい値の低い垂直レーザ共振器である。
【図３】本発明によるさらに別の例示態様を示す略横断面図である。
【図４】例１に記載した垂直レーザ共振器の例示態様について出力の励起入力依存性をlog-logプロットしたグラフである。
【図５】例１の垂直レーザ共振器から放出されたレーザ動作遷移の高解像度スペクトルを示すグラフである。
【図６】例２に記載した垂直レーザ共振器の二つの例示態様について出力の励起入力依存性をlog-logプロットしたグラフである。共振器Ａ及び共振器Ｂの活性層の厚さは、それぞれ195 nm及び780 nmである。
【図７】例２に記載した（垂直レーザ）共振器Ａによって放出された出力強度のスペクトルを示すグラフである。光の収集は法線観察方向において行った。
【図８】例２に記載した（垂直レーザ）共振器Ｂ（活性層厚390 nm）について出力の励起入力依存性をlog-logプロットしたグラフである。
【図９】例３に記載したOLEDデバイスの相対出力強度のスペクトルを示すグラフである。OLEDを20 mA/cm2で駆動し、その輻射線を法線観察方向において収集した。
【図１０】例３のOLEDポンピング式垂直レーザ共振器（共振器Ａ）から放出されたレーザ動作遷移の高解像度スペクトルを示すグラフである。
【図１１】例３の電気駆動式有機固体レーザデバイスについて出力の駆動電流依存性をlog-logプロットしたグラフである。垂直レーザ共振器構造体は共振器Ｂとし、そしてOLEDは２μs及び８μsのパルス幅を使用して駆動した。
【符号の説明】
１００…有機レーザ共振器デバイス
１０５…透明基板
１１０…ミラー層
１１５…活性層
１２０…金属
１２５…入力光線
１３０…誘導放出
２００…電気ポンピング式有機固体レーザ装置
２０１…第１部分
２０５…基板
２１０、２２０…DBRミラー
２１５…活性層
２２５…OLED光
２３０…レーザ光
２３１…第２部分
２３５…透明基板
２４０…アノード
２４５…有機正孔輸送層
２５０…有機発光層
２５５…有機電子輸送層
２６０…カソード
【図１】
0004037677.tif 000002
【図２】
0004037677.tif 000003
【図３】
0004037677.tif 000004
【図４】
0004037677.tif 000005
【図５】
0004037677.tif 000006
【図６】
0004037677.tif 000007
【図７】
0004037677.tif 000008
【図８】
0004037677.tif 000009
【図９】
0004037677.tif 000010
【図１０】
0004037677.tif 000011
【図１１】
0004037677.tif 000012