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基于纳米线的光学微腔和纳米激光器

谷志远  
【摘要】:纳米线是微纳光学的热门研究领域之一,其在激光器/发光二极管、传感、成像、光电探测器以及光伏等领域具有很大的应用价值和潜力,是构成未来光子回路的重要模块之一。随着微纳制备工艺和纳米线生长技术的进步,得到的纳米线质量越来越高,基于纳米线的光子学器件尺寸也逐渐减小。尤其是结合了表面等离子体激元的光学元件,其尺寸甚至达到了真正的亚波长量级。如此之小的物理尺寸面临的问题也十分明显:纳米线在基底上的离散分布使得各个纳米器件是相互独立的,因此它们之间的耦合或者能量交换难以实现,和现有光学系统例如互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)、光纤系统以及硅基波导等兼容性差。另外,纳米线是一种典型的法布里-珀罗谐振腔,腔内的谐振模式由腔体形状决定,模式调控难以实现,现有方法的工艺复杂繁琐,误差容忍度小。针对上述纳米线面临的问题,本文主要研究了基于纳米线的光学微腔和激光器。在提高单个纳米器件性能的同时,本文还着重研究了纳米线激光器谐振模式的调控及各类光器件之间的互连和信息交换,具体内容如下:(1)研究了有机/无机溴化铵钙钛矿(CH3NH3Pb Br3)纳米线的激光特性,利用锥形光纤采集激光器的出射能量。实验证明有机/无机溴化铵钙钛矿在双光子泵浦下表现出强烈的非线性吸收,在此基础上实现了世界首个双光子钙钛矿纳米线激光器。并对有机/无机溴化铵钙钛矿纳米线与光纤系统的集成和耦合进行了研究,大大提高了激光出射的采集效率,获得了10倍于传统物镜法采集到的激光强度。(2)讨论了表面等离子体波导和其他光器件之间的互连以及能量交换。理论上验证了纳米波导的出射光能够被第二根波导再次采集,并且在很宽的轴向间距、横向偏移以及倾斜角度范围内,采集效率均在50%以上。另外,设计了同时兼容表面等离子体波导和硅波导的锥形结构,实现表面等离子体模式和介质模式的转换以及逆转换,效率超过90%。(3)调控表面等离子体谐振腔的模式,实现了大尺寸纳米线中表面等离子体模式的放大和激光出射。数值分析表明纳米线表面的散射在谐振腔模式选择中起着关键的作用。介质模式受到纳米颗粒的强烈散射而被抑制,因此表面等离子体模式获得最大的增益并产生激光出射。在表面纳米颗粒密度从小变大的纳米线激光器中,实验测量到的激光阈值曲线斜率变大,激光出射偏振变化90?。实现了介质激光到表面等离子体激光的转变,验证了纳米颗粒对纳米线激光模式的调控。(4)结合宇称-时间(Parity-time,PT)对称的概念探索谐振腔内的光放大和损耗,首次实现了PT对称下纳米线激光器模式的调制。当纳米线被泵浦一半时,在谐振腔内形成了PT对称的机制,激光模式间隔变为全泵浦条件下的2倍,模式波长移动至全泵浦时两个相邻模式的中间,模式数目变为全泵浦下的一半。本文的研究工作为纳米线器件的应用提供了实验和理论基础,基于本文实现的纳米线激光器、激光能量的高效率采集以及模式调控等结果,提升了纳米线器件在生物医学成像、传感、光开关以及光子回路等领域的实用性和应用潜力。


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