雙光子激發(fā)半導體納米結(jié)構(gòu)的非線性光學特性研究.pdf

1、半導體納米材料因其獨特的光學、電學性質(zhì)以及在微型化光電子器件中的潛在應用而得到了廣泛的研究。作為典型的II-VI族半導體材料，硫化鎘(Cadmium Sulfide，CdS)和氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)分別在可見光和紫外光波段的光電子器件如納米激光器、光電探測器和光調(diào)制器等中有重要的應用前景，尤其引起了廣大科研工作者的興趣。目前，CdS納米結(jié)構(gòu)的光致發(fā)光、受激輻射等效應已經(jīng)被廣泛研究。值得注意的是，以往的研究大多基于單光子激

2、發(fā)方式。相比于單光子激發(fā)，雙光子激發(fā)具有穿透深度大、分辨率高、不易損傷樣品等優(yōu)點，而且雙光子激發(fā)時所需的近紅外光源使CdS納米材料在光通訊和生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著更廣闊的應用前景。因此，研究雙光子激發(fā)下CdS納米結(jié)構(gòu)的光學特性具有重要的意義。本論文利用近紅外波長的飛秒激光作為激發(fā)光源，結(jié)合自行搭建的遠場共焦顯微測試系統(tǒng)，研究了雙光子激發(fā)下不同CdS納米結(jié)構(gòu)的熒光、激光輻射以及二次諧波等效應；研究了激發(fā)光偏振方向以及樣品的結(jié)構(gòu)形貌對樣品發(fā)光強

3、度的影響；同時初步研究了ZnO納米孔陣列的非線性吸收特性。論文的主要內(nèi)容如下：
　　利用化學氣相沉積法在硅和石英襯底上制備了高質(zhì)量的CdS納米線及納米盤結(jié)構(gòu)。通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測了密集以及分散分布的CdS納米結(jié)構(gòu)的表面形貌，采用X射線衍射表征了樣品的結(jié)晶取向。利用波長為325nm的激光共焦拉曼光譜儀測試了樣品的發(fā)光特性。
　　設計并搭建了籠式光學共焦顯微系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有靈活、穩(wěn)定、分辨率高等優(yōu)點，能夠方便地對單個微納

4、樣品進行精密原位測量與成像。利用該系統(tǒng)進行測量時采用的激發(fā)光源為振蕩級飛秒激光和放大級飛秒激光，激發(fā)光的中心波長為800 nm~820 nm。
　　研究了雙光子激發(fā)下單根CdS納米線的光致發(fā)光及激光輻射特性。利用振蕩級飛秒激光研究了單根納米線的雙光子熒光及二次諧波效應，并討論了樣品的熒光強度與激發(fā)光偏振方向的依賴關(guān)系以及熒光的偏振各向異性。利用放大級飛秒激光觀測到單根納米線的發(fā)光由自發(fā)輻射向受激輻射的轉(zhuǎn)變過程，同時研究了樣品產(chǎn)生激

5、光的強度與激發(fā)光偏振方向的關(guān)系。采用時域有限差分法對不同激發(fā)光偏振方向時單根CdS納米線周圍的電場分布進行了數(shù)值模擬，進一步從理論上分析了發(fā)光強度與激發(fā)光偏振方向的依賴關(guān)系。
　　研究了不同形狀CdS納米盤的雙光子熒光及激光特性。在振蕩級飛秒激光作用下觀測到不同納米盤結(jié)構(gòu)的雙光子熒光及二次諧波效應，發(fā)現(xiàn)盤狀結(jié)構(gòu)具有更高的發(fā)光效率。在放大級飛秒激光作用下研究了矩形納米盤結(jié)構(gòu)的激光特性，發(fā)現(xiàn)納米盤結(jié)構(gòu)相對于納米線結(jié)構(gòu)具有更低的激光閾值

6、和更高的品質(zhì)因子。通過角度分辨探測，發(fā)現(xiàn)CdS納米盤的激光輸出具有方向性。
　　研究了ZnO納米孔陣列的三階非線性光學特性。采用納米球刻蝕技術(shù)結(jié)合反應離子刻蝕以及脈沖激光沉積技術(shù)，制備了周期性有序排列的ZnO納米孔結(jié)構(gòu)。利用放大級飛秒激光作為激發(fā)光源，通過Z掃描技術(shù)研究了該納米孔的非線性吸收和非線性折射特性，發(fā)現(xiàn)納米孔陣列具有較強的雙光子吸收和較弱的非線性折射效應，且雙光子吸收系數(shù)比ZnO薄膜大了兩個數(shù)量級。進一步通過線性吸收實驗