Láseres con realimentación distribuida basados en películas activas conteniendo derivados de perilenodiimida

Laburpena

Los láseres orgánicos de estado sólido (OSLs, del inglés ¿organic solid-state lasers¿) se han investigado intensamente durante muchos años [1], debido principalmente a las ventajas de los materiales orgánicos. Una propiedad única muy importante de estos materiales es que presentan un espectro de fotoluminiscencia ancho lo que permite poder sintonizar el láser en un amplio intervalo de longitudes de onda [2]. Además, presentan una gran procesabilidad y versatilidad química, lo cual permite que sean preparados en forma de películas delgadas mediante técnicas simples y baratas. Estas características les proporcionan potencial para su empleo en dispositivos ópticos y electrónicos. El descubrimiento de la emisión estimulada en películas de polímeros semiconductores en 1996 reavivó el interés en los OSLs [3,4], puesto que esos materiales permitían la posibilidad de utilizar excitación eléctrica. Muchos de los trabajos en este campo se han centrado en materiales semiconductores en la última década, con el objetivo principal de reducir el umbral láser para lograr láseres bombeados eléctricamente [1,3,4,5]. Se han fabricado dispositivos con umbrales muy bajos, que se pueden bombear con láseres de diodo inorgánicos [6], e incluso con diodos emisores de luz [7]. Por lo tanto, el objetivo inicial de conseguir el bombeo eléctrico deja de ser tan relevante, ya que se pueden construir láseres compactos bombeados ópticamente con estos umbrales tan bajos. Estos umbrales láser están influenciados por la elección de la cavidad resonante y del medio amplificador. Las estructuras con realimentación distribuida (DFB, del inglés ¿distributed feedback¿) son probablemente las más estudiadas [1,3,4,5] de entre los diversos tipos de cavidades resonantes usadas en el campo de los OSLs. Comparados a otros tipos, los láseres DFB presentan varias ventajas: no se necesitan espejos, las películas orgánicas activas se pueden depositar de forma sencilla, los umbrales son bajos y su emisión puede ser monomodo. Además, los láseres DFB tienen un gran potencial para el desarrollo de aplicaciones en el campo de los biosensores y sensores químicos, lo que actualmente está recibiendo una gran atención [8,9]. Las estructuras DFB están formadas por guías de onda con una modulación periódica del índice de refracción, que se obtiene mediante el grabado de una red en el substrato o en el propio medio activo, de forma que la realimentación de la luz se obtiene a partir de la difracción de Bragg distribuida a lo largo de toda la red periódica [1,3,4,5]. La litografía de nanoimpresión (NIL, del inglés ¿nanoimprint lithography¿) y sus diferentes variantes son de las técnicas más prometedoras [9] utilizadas para grabar redes, ya sea en el substrato o en el propio medio activo. La litografía holográfica (LH) es otra técnica que presenta varias ventajas respecto al proceso de NIL, lo cual resulta interesante en ciertas ocasiones. La LH proporciona una gran flexibilidad para modificar los parámetros de la red (periodo, profundidad y dimensionalidad) y permite grabar fácilmente y a bajo coste superficies de varios centímetros cuadrados. El objetivo fundamental de esta tesis ha sido desarrollar láseres DFB con propiedades optimizadas respecto a las conseguidas en otros trabajos previos descritos en la literatura. Se ha trabajado en dos ámbitos. Por un lado, en la mejora de los materiales activos y por otro, en el desarrollo de cavidades DFB eficientes. En cuanto a los materiales, el trabajo se ha centrado en el uso de derivados de perilenodiimida (PDI) dispersos en películas poliméricas y de materiales mesoestructurados compuestos. En lo relativo a las cavidades resonantes DFB, se han fabricado dispositivos de dos tipos: (i) con redes grabadas en el substrato mediante LH y (ii) con redes impresas en la película activa mediante un proceso de NIL térmico. Esta memoria se ha divido en tres partes: (1) En la primera parte, que consta de tres capítulos, se desarrollan los fundamentos teóricos necesarios para comprender todo el trabajo llevado a cabo en esta tesis. En el primer capítulo se describen brevemente los fundamentos básicos del funcionamiento de un láser, mientras que en el segundo se presenta de forma resumida la teoría de guía de ondas, utilizando el modelo de rayos y el electromagnético. En el tercer capítulo se resumen los antecedentes de especial interés sobre materiales orgánicos con propiedades láser, centrándonos en los derivados de PDI utilizados en esta tesis, así como en las dos técnicas empleadas para fabricar las redes que constituyen las cavidades resonantes de los láseres DFB fabricados. (2) En la segunda parte se describen las técnicas experimentales utilizadas. Dado el carácter multidisciplinar de la tesis, esta parte se ha divido en dos capítulos. En el primero se detallan las técnicas empleadas para la fabricación de las películas y la medida de sus espesores, así como las técnicas para la caracterización térmica y por resonancia magnética nuclear (RMN) de los materiales. También se describen las técnicas empleadas para fabricar las cavidades resonantes DFB. En el segundo capítulo, se exponen los métodos empleados para la caracterización de las propiedades ópticas de los materiales. (3) En la última parte se presentan los resultados obtenidos. Se ha dividido en cuatro capítulos. En los dos primeros se estudian las propiedades de emisión espontanea amplificada (ASE, del inglés ¿amplified spontaneous emission¿) de PDIs dispersados en películas poliméricas y de materiales compuestos de sílice mesopora y copolímeros en bloque. En este segundo caso, se ha hecho un estudio detallado de la localización de las moléculas de PDI en el interior de la mesoestructura mediante el uso de resonancia magnética nuclear bidimensional (RMN 2D). En los dos capítulos siguientes, se han fabricado, mediante NIL y LH, y caracterizado láseres DFB basados en un derivado de PDI dispersado en poliestireno (PS). Las conclusiones generales se puedes resumir en los siguientes puntos: (1) El estudio detallado de la influencia del espesor de las películas activas sobre las propiedades ASE ha permitido entender muy bien el papel que juegan todos los parámetros investigados, lo cual ha resultado muy útil en la posterior fabricación de los láseres DFB. (2) La comparación entre los derivados PDI-C6 y PDI-O nos ha permitido obtener una serie de pautas en la elección y el diseño de nuevos PDIs con características adecuadas para utilizarlos como materiales activos láser. (3) La síntesis y caracterización de materiales mesoestructurados compuestos ha supuesto la posibilidad de llevar a cabo nuevos estudios dentro de nuestro grupo de investigación. Gracias al uso de la RMN 2D se ha podido entender cómo se disponen y donde se localizan las moléculas de PDI en el interior de las mesoestructuras. (4) Los estudios de las propiedades ASE en películas de sílice mesoestructurada explican como la funcionalización permite obtener emisión ASE sin necesidad de utilizar materiales con bajos índices de refracción como substratos de dichas películas. (5) Se ha conseguido fabricar láseres DFB mediante un proceso de NIL térmico imprimiendo la red directamente sobre el material activo sin dañarlos. Gracias a esta técnica las redes fabricadas presentan una calidad muy buena, lo que ha permitido obtener láseres DFB muy eficientes. Esto ha supuesto un importante logro respecto a otros trabajos publicados en la literatura en los cuales no se podía utilizar el proceso de NIL térmico debido a la degradación de los materiales. (6) Se han fabricado láseres DFB en los cuales las redes están grabadas mediante LH sobre substratos de DCG. A pesar de que estas redes presentan una calidad inferior a las fabricadas mediante el proceso de NIL térmico, los rendimientos obtenidos en estos láseres son bastante buenos. Esto supone un logro importante puesto que la LH es una técnica que presenta algunas ventajas respecto a la NIL, tales como la fabricación de redes en áreas relativamente grandes con gran versatilidad y bajo coste. 1. I. D. W. Samuel y G. A. Turnbull, Chem. Rev., 2007, 107, 1272. 2. F. J. Duarte y L. W. Hillman, Dye Laser Principles with Applications, Academic, 1990. 3. F. Hide, M. A. Díaz-García, B. J. Schwartz, M. R. Andersson, Q. Pei y A. J. Heeger, Science, 1996, 273, 1833. 4. N. Tessler, G. J. Denton y R. H. Friend, Nature, 1996, 382, 695. 5. J. Clark y G. Lanzani, Nat. Photonics, 2010, 4, 438. 6. A. E. Vasdekis, G. Tsiminis, J. C. Ribierre, L. O¿ Faolain, T. F. Krauss, G. A. Turnbull y I. D. W. Samuel, Opt. Express, 2006, 14, 9211. 7. Y. Yang, G. A. Turnbull, y I. D. W. Samuel, Appl. Phys. Lett., 2008, 92, 163306. 8. M. Lu, S. S. Choi, C. J. Wagner, J. G. Eden y B. T. Cunningham, Appl. Phys. Lett., 2008, 92, 261502. 9. M. B. Christiansen, J. M. Lopacinska, M. H. Jakobsen, N. A. Mortensen, M. Dufva, y A. Kristensen, Opt. Express, 2009, 17, 2722.