新型ZnO纳米针的双光子激射特性

室温下采用640nm的飞秒脉冲激光泵浦ZnO纳米针得到双光子诱导的光致发光谱。结合单光子下的研究结果,实验分析了双光子泵浦下样品随着受激能量增强产生的三种紫外发射行为并归结为自由激子自发辐射,激子-激子散射和电子空穴等离子体复合。双光子泵浦下ZnO纳米针的受激阈值是4.82GW/cm2,远小于其他ZnO微纳材料的双光子阈值(TW/cm2)。结果表明:这种新型的ZnO纳米针结构能更有效地产生双光子激射,这在纳米激光器方面将会有很大的应用前景。     

ZnO粉末中无序激射现象时间分辨的研究

采用抽运-探测时间分辨方法实验研究了半导体材料ZnO纳米颗粒粉末中的无序激射现象.在2 67nm激光的抽运下，通过精确控制抽运光的能量和样品表面的抽运面积，获得了宽度小于1n m的单模无序激射光谱和多峰的多模无序激射光谱.时间分辨的抽运-探测结果显示，此时样 品的上能级寿命仅为几个皮秒，证明了ZnO粉末的单模无序光谱是受激辐射的结果. 关键词： 高散射介质 多重散射 抽运-探测 无序激射     

Zno纳米晶的室温紫外受激发射特征

ZnO的激子特性对制备氧化锌基的光电子器件至关霞要,因此对ZnO量子点中激子的发光性质及其跃迁过程进行研究显得十分必要.采用溶胶-凝胶法制备了ZnO纳米晶,X射线衍射(XRD)结果表明样品具有六角纤锌矿多晶结构.研究了在不同泵浦功率激发下ZnO纳米晶的紫外发射的时间积分光谱和时间分辨光谱,观察到自南激子发光,激子-激子碰撞和电子-空穴等离子体引起的受激发射,研究了在不同泵浦功率激发下自由激子及激子-激子碰撞随泵浦功率依赖的动力学过程.研究结果对理解激子带边发射有一定帮助,对ZnO材料在短波长半导体光电器件方面有潜在的应用价值.     

亚波长尺度下混合等离子泄漏模式激光

由于光存在衍射极限,因此传统方法不能实现亚波长尺度下的激光激射。为了打破这一衍射极限,本文设计了金属-介电层-半导体堆叠结构来实现深亚波长尺度下的激光激射,并讨论了相关结构对模式传播的影响。结构设计上,采用低介电常数金属银作为衬底、10 nm厚的LiF作为介电层、具有六边形截面的半导体纳米线ZnO作为高介电常数层,采用有限差分本征模和时域有限差分方法对所设计的结构进行光学仿真模拟。首先,通过改变ZnO纳米线的直径,使用有限本征模方法分析介电层中的光学模式,得到4种模式分布。然后,通过这4种光学模式在不同纳米线直径下的有效折射率和损耗计算了对应的波导传输距离以及激射阈值增益。最后,采用三维时域有限差分方法仿真分析纳米线稳态激光发射过程中各模式的电场分布。结果表明:在纳米线和金属衬底之间的介电层上存在混合等离子体模式和混合电模式,对于直径低于75 nm的ZnO纳米线,没有有效的物理光学模式,即混合等离子体模式和混合电模式都被切断,当ZnO纳米线的直径大于75 nm时,混合等离子体模式可以有效存在,而混合电模式在ZnO纳米线的直径达到120 nm之后才出现。虽然混合等离子体模式可以更好地限制在介电层中,但是它们的模式损耗太大,传播距离相对较小。此外,与混合等离子体模式相比,混合电模式的传播距离更长。在给定微米线的直径(D=240μm)下,混合电模式传播距离超过50μm。综上可知,在深亚波长尺度下利用混合泄漏模式可以打破光学衍射极限并实现激光激射。     

ZnO纳米晶/巯基乙酸复合膜的荧光特性

用自组装方法将巯基乙酸(MPA)与ZnO纳米晶薄膜(ZDF)通过共价键偶联到一起,形成纳米晶／巯基乙酸复合膜(ZDF／MPA)。采用发光光谱和XPS电子能谱技术,研究了ZDF／MPA的荧光特性以及它们之间的能量传递机制。研究发现ZDF／MPA中ZnO自由激子发光和束缚激子发光强度随着巯基乙酸的浓度增大而分别呈现不同的非线性减弱关系,当巯基乙酸达到一定的浓度量时,ZnO荧光完全消失。研究表明：ZnO纳米薄膜与MPA之间能够发生成键作用,并且在成键之后发生了能量传递。     

Al纳米颗粒表面等离激元对ZnO光致发光增强的研究

基于聚苯乙烯球自组装法,在P型氮化镓(P-GaN)衬底上制备了有序致密的掩模板;采用热蒸发法在该模板上沉积金属Al薄膜,通过甲苯溶液去除聚苯乙烯球,得到了金属Al纳米颗粒阵列;采用原子层沉积法,在Al纳米颗粒阵列表面依次沉积氧化铝(Al_2O_3)和氧化锌(ZnO).通过测试Al纳米颗粒阵列的消光谱以及ZnO薄膜的光致发光谱,研究了Al纳米颗粒表面等离激元与ZnO薄膜激子之间的耦合效应.实验结果表明:引入Al纳米颗粒后,在约380 nm位置附近的ZnO近带边发光峰积分强度增强了1.91倍.对Al纳米颗粒表面等离激元增强ZnO光致发光的机理进行探讨.     

稀磁ZnO纳米颗粒的生长和性能

利用Zn、Fe、Mn、Co的铜铁试剂盐为前驱体,胺为表面包裹剂,在200℃N2保护下生长了2%的过渡金属离子掺杂的ZnO稀磁纳米晶体,研究了纳米晶体的结构、形态、光学和磁学性能。所有ZnO纳米晶体均为近圆形的颗粒,晶体结构为六角纤锌矿结构,无其他氧化物相的析出,但过渡金属离子的掺入使纳米颗粒的尺寸增大。在掺杂纳米颗粒的吸收谱和发射谱中均可以观察到明显的激子吸收和发射峰,所有纳米颗粒在温度高于43K时只有顺磁性。     

纳米ZnO镶嵌SiO2薄膜的磁控溅射制备和发光性质的研究

采用射频磁控反应溅射方法在SiO衬底上制备了纳米ZnO镶嵌SiO2薄膜.在室温下利用吸收光谱和光致发光光谱研究了样品的光学性质.发现吸收光谱随纳米ZnO尺寸的减小发生了明显的蓝移,表明随着ZnO尺寸的减小,量子尺寸效应增强,导致带隙展宽,吸收峰蓝移.光致发光光谱在387和441 nm附近出现了两个发光带,分析认为紫外发光来源于自由激子的辐射复合,而蓝色发光带来自于氧空位的电子到价带的跃迁,并用时间分辨光谱和发光衰减证实了上述观点.     

ZnO一维纳米线及其异质结构的外延生长

一维纳米结构因其优异的光、电特性，在纳米电子学，光电子学器件等方面有重要的应用价值而倍受关注．在一维半导体纳米材料中，ZnO因激子束缚能大（60meV），可在室温获得高效的紫外发光而成为近年来继GaN材料后的又一研究热点．外延生长一维纳米结构ZnO及其量子阱材料除因量子尺寸效应更适宜做室温紫外发光、激光材料与器件外，还因界面和量子限制效应而具有许多新奇的光、电、和力学特性，可应用于纳米光电子学器件，传感器及存储器件，纳米尺度共振隧道结型器件和场效应晶体管的研制和开发．文章着重介绍了目前ZnO一维纳米结构制备，一维ZnO纳米异质结构和一维ZnO／Zn1-xMgxO多量子阱结构的外延生长和研究进展．     

染料掺杂聚合物薄膜中金纳米颗粒增强的随机激光

基于金属纳米结构而获得随机激光的增强,其独特的性质及其潜在的应用价值具有重要的研究意义,在表面增强荧光、光学开关器件、表面等离子激元激光等方面实现了较多应用。报道一种快捷有效的制备纳米颗粒的手段并基于该纳米颗粒结构分析了染料掺杂聚合物薄膜涂覆的随机激光现象和规律。利用离子溅射沉积和高温热处理在石英基底上制备了Au纳米颗粒,改变溅射时间Au纳米颗粒的尺寸发生可控变化,该方法便捷、工艺简单。研究采用40,80和120 s三种不同的时间进行Au膜溅射并在650 ℃下高温处理,得到粒径尺寸不同的Au纳米颗粒,随着溅射时间延长Au纳米颗粒的尺寸逐渐变大。通过涂覆有机荧光染料DCJTB掺杂的PMMA聚合物薄膜构建光致激射系统,利用纳秒脉冲激光对样品进行激发,得到随机激光并研究其出射光强度和阈值的变化规律特征。40,80和120 s三种溅射时间下所得Au纳米颗粒的平均粒径尺寸分别为230,250和390 nm,在532 nm激光激发下产生随机激光的阈值分别为20.5,17.5和12.5 μJ·pulse-1。Au纳米颗粒尺寸越大、粒子间距越小时,光子散射的平均自由程越短,光在金属颗粒之间可以多次有效散射,从而显著提高散射效率,产生较低阈值的激光发射;Au纳米颗粒的吸收峰与染料的荧光峰恰好匹配时,将会显著增强染料的荧光效应,激发更多染料分子发生能级跃迁,增加光子态密度,获得峰值更高、阈值更低的激射现象;泵浦光不破坏染料分子的情况下,可以多次循环泵浦获得激光,染料分子的发光效率随着多次激发略有降低,有助于随机激光器件的研究开发。实验研究结果与理论分析相一致,进一步明确了Au纳米颗粒对光子散射和等离子共振对光吸收增强的随机激光发射机理。该研究以Au纳米结构对光子的强散射效应为增益,通过理论分析和实验测量获得随机激光,为实现高效率、低阈值的随机激光研究提供了一种便捷的技术手段,有望促进随机激光器件的开发和应用。     

Mode competition of bichromatic laser emission in two-dimensional strong scattering random medium

The mode competition of the bichromatic laser emission in two-dimensional (2D) random medium was studied. Based on the time-dependent theory, a model for dual-wavelength random laser was established. The Maxwell equations and rate equations were combined and solved by using the finite different time domain (FDTD) method. Results show that the emission intensity of both wavelength ranges increases simultaneously with the increasing of the surface-filling fraction. The mode dominance of the bichromatic emission can be switched by changing the scatterer radius. The emission intensity of the longer wavelength increases when enlarging the excitation area. The controllability of these lasing modes may provide a potential application of optical switches.     

Dynamic nonlinear effect on lasing in a random medium

We have studied both experimentally and numerically the dynamic effect of nonlinearity on lasing in disordered medium. The third-order nonlinearity not only changes the frequency and size of lasing modes, but also modifies the laser emission intensity and laser pulse width. When the nonlinear response time is longer than the lifetime of the lasing mode, the nonlinearity changes the laser output through modifying the size of the lasing mode. When the nonlinear response is faster than the buildup of the lasing mode, positive nonlinearity always extracts more laser emission from the random medium due to the enhancement of single particle scattering.     

基于混合表面等离子体波导的纳米激光器的研究

设计了一种带有金属脊和低折射率介质夹层的新型混合表面等离子体波导结构，利用有限元法对该结构进行了数值仿真。COMSOL Multiphysics软件是一款基于有限元法模拟真实物理现象的仿真软件。在COMSOL Multiphysics软件平台上，构建该结构的三维模型，使用模态分析和频域分析模块，研究了其电场分布、归一化模式面积、传输长度、增益阈值、品质因数。结果表明：在工作波长为370 nm时，所设计波导的光场约束可达到较好的深亚波长水平，同时保持大的传输长度。提出的带有金属脊结构与平坦金属层结构相比，波导特性更好。将该结构应用于纳米激光器，由基模和纵模反映出，激光器内光场分布稳定且集中在极小的面积内。在波导特性良好的情况下，该激光器可保持较低的增益阈值和较高的谐振腔品质因数。综合考虑，选取最优尺寸为ｒ＝80 nm, d＝45 nm，此时有效模式面积为0.005 1λ2，传输长度为1 668 nm，增益阈值为1.46×10-6 m-1, 品质因子74.5。最后，在最优尺寸下，通过仿真得到了该结构的发射光谱，其发射波长为360 nm，输出电能比输入电能增强了3 100倍。该结构为小型化和集成化的纳米设备提供了技术支持，在生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。     

轴向隐失波激励的回音壁模式光纤激光器

采用轴向隐失波激励增益的方式,使激光增益区域局限在光纤回音壁模式的模场区域内,显著地降低了回音壁模式光纤激光辐射的抽运阈值,由此形成一种低阈值的回音壁模式光纤激光器.在微焦耳量级的低抽运能量条件下,用回音壁模式光纤激光器研究了激光染料的浓度效应.实验结果表明,随着激光染料浓度的增加,回音壁模式激光辐射的波长向长波方向移动,激光波长范围变宽.用回音壁模式染料激光的四能级模型得到激光上能级和所有能级上的分子数比值γ(λ)曲线后,很好地解释了实验结果.低抽运阈值的回音壁模式光纤激光器,为研究液体激光现象提供了极为便利的手段.     

Cavity-Free Lasing and 2D Plasma Oscillations in Optically Excited InGaN Heterostructures

We demonstrate lasing emission of optically excited InGaN LD structures without intentional resonant cavity formation. We observe the equal mode-spacing character of this effect in the back-scattering geometry after exceeding the threshold excitation intensity. The homogeneity of the effect and stable mode spacing exclude participation of defects or wafer edges in lasing. We propose a lasing mechanism based on optically excited 2D electron–hole plasma oscillations, which act as a dynamical grating and resonantly couple the lasing modes separated by the plasma frequency, similar to the case of DFB lasers. The observed anomalous mode spacing is determined by the eigenfrequency of the plasma oscillations.     

Taming Random Lasers through Active Spatial Control of the Pump

Active control of the spatial pump profile is proposed to exercise control over random laser emission. We demonstrate numerically the selection of any desired lasing mode from the emission spectrum. An iterative optimization method is employed, first in the regime of strong scattering where modes are spatially localized and can be easily selected using local pumping. Remarkably, this method works efficiently even in the weakly scattering regime, where strong spatial overlap of the modes precludes spatial selectivity. A complex optimized pump profile is found, which selects the desired lasing mode at the expense of others, thus demonstrating the potential of pump shaping for robust and controllable single mode operation of a random laser.     

三粒子任意态的量子隐形完全传送

提出一个利用六粒子非贝尔对量子通道对一个任意的三粒子量子态进行隐形传送的方案.发送者Alice对需传送的三粒子量子态与属于自己的纠缠对中的三粒子进行三次Bell基测量,并将测量结果通过经典通道告诉接受者,接受者Bob根据这些信息对自己拥有的粒子进行Toffoli变换,就可使这三粒子处于待发送的原始量子态,从而实现概率为1的量子态隐形传送.利用变换算符的思想,很容易得出塌陷态的表达式以及接受者Bob所做的幺正变换的表达式.     

无序介质中不同模式的激光辐射与散射体密度的关系

以ZnO粉末无序介质激光为例,在介质增益和光场损耗的条件下研究了光子在无序介质中的无规行走行为.在泵浦光强和体积一定的情况下,运用数值模拟研究了不同频率的光受激辐射对散射体密度的要求;得到了不同散射体密度下激光的辐射谱：当散射体密度大于临界密度时才能有激光辐射产生;当散射体密度进一步增大时,辐射谱中出现更高更窄的分离尖锋.     

Intense directional lasing from a deformed square-shaped organic-inorganic hybrid glass microring cavity

Intense directional light emission from a deformed square-shaped organic light-emitting microring cavity was observed. The ring cavity was a dye-doped organic-inorganic hybrid glass film coated upon a square-shaped fiber. From the near-field and far-field emission patterns and their emission spectra we found, for the first time to our knowledge, the simultaneous existence of chaotic whispering-gallery modes and four-bounce reflection modes. The two types of mode have different emission directions, different lasing thresholds, and different spectral linewidths. High-contrast angle-modulated light emission was also observed. We could control modulation and angular spread of emission by controlling the deformation of the cavity.     

光纤回音壁模式激光产生长度的实验与理论研究

采用沿光纤轴向光抽运消逝场激励增益的方式,获得了沿光纤轴向较长范围的回音壁模式激光辐射.研究了这种激光器的激光产生长度与抽运能量间的关系.实验发现:当抽运能量刚超过激光产生阈值时,激光产生长度迅速增长;随抽运能量的继续增加,产生长度的增长趋势变缓;产生长度随抽运能量的变化关系决定于增益包层溶液的染料浓度和溶液折射率.根据抽运光沿光纤轴向以受抑全反射方式传播的物理特性,在抽运能量中引入了遵循比尔吸收定律的指数衰减函数,结合消逝场激励增益的回音壁模式激光理论,在分析系统增益和损耗的基础上由激光阈值条件推导出了 关键词： 回音壁模式 受抑全反射 消逝场 激光产生长度