二维有机准晶光子晶体激光器的设计及其特性研究

摘要

发展高效、稳定、且方便与其它光器件集成的激光光源等新型光电器件是目前光信息科学的研究热点之一。作为近三十年发展起来的一种新型光子材料，光子晶体以其独特的光子带隙和光子局域特性，为制备性能优良的微型激光光源提供了基础。有机半导体材料，相比于无机半导体具有发光效率高，温度稳定性好，且易于结构修饰与器件制备等诸多优点，因而被广泛应用于光电器件上。有鉴于此，本文提出了一类基于有机半导体材料的光子晶体微腔激光器。该激光器以构成准晶光子晶体的有机共轭聚合物作为激光增益介质，根据二维八重准晶光子晶体的特性，探索利用缺陷对有机材料发光的局域，缺陷微腔形成的与光子晶体平面垂直方向的波导，以及利用光子晶体平板上下底面多层反射膜形成的完整谐振腔设计具有激射效应的光子晶体垂直腔面发射激光器。研究其激射过程，探索出射波长、起振阈值、激光模式和发光效率与有机材料、准晶结构的关联，进而制备出光泵浦准晶光子晶体有机半导体可调谐激光原型器件。具体研究工作如下：
　　 ⑴有机增益介质材料的发光特性研究。对共轭聚合物PPV及其衍生物MEH-PPV与BEHP-PPV等材料的荧光量子效率和光谱特性进行比较，寻找材料的光致发光效率、光谱特性与衍生物的掺杂比例、浓度之间的关联，最终确定有机半导体发光材料BEHP-co-MEH-PPV作为激光增益介质。
　　 ⑵光子晶体激光器的结构设计与性能优化。采用时域有限差分法，研究8重准晶光子晶体微腔结构的光传输特性以及各参数对光子带隙的影响。通过调节准晶光子晶体中心缺陷，调谐该结构所支持的缺陷模位置，使之与增益介质的荧光峰所在位置相匹配。最后确定如何在低折射率对比的有机准晶光子晶体中利用准晶结构的对称性、控制缺陷模的对称性实现高品质因数的微腔，并达到利用微腔实现光束定向激射的目的。
　　 ⑶有机薄膜的制备与微结构的刻蚀。有机聚合物薄膜的质量及表面平整度对二维平板光子晶体的光学特性有较大的影响。我们研究利用复合溶剂法，及采用偏心甩胶、悬浮振荡等方法，实现优化薄膜的性能。确定制备准晶光子晶体微腔激光器的实验条件和方法，利用微加工聚焦离子束刻蚀系统和电子束曝光技术制备出有机准晶微腔结构。
　　 ⑷光子晶体微腔激光器光学特性的测试。采用自行设计搭建的光谱测量系统，对制备的光子晶体微腔激光器进行光学特性测试。利用355nm脉冲激光作为光泵浦源，获得了微腔激光器的阈值9μ J/cm2，激射光波位于607nm，半峰宽度1nm，实验结果与理论计算基本符合，分析有机准晶微腔激光器出现激射光的基本原理。这一结果为未来制备有机电致发光器件和有机光子晶体非线性器件提供了理论和实验。
　　 ⑸光子晶体分束滤波器的设计。设计了一种基于长方形缺陷的多通道滤波和分束器，分析了长方形缺陷体的谐振频率随边长和沿入射波排列方向变化的规律。并将滤波和分束特性相结合，成功设计了双通道波导和三通道分束滤波器。该种器件综合考虑了光子晶体波导的分束特性和对不同波长的选择特性，这将会在光集成领域是非常广阔的应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 光子晶体的简介

1．1．1 光子晶体概念

1．1．2 光子晶体特性及其应用

1．1．3 光子晶体的分类

1．2 准晶光子晶体的简介及其应用

1．2．1 准晶光子晶体分类

1．2．2 准晶光子晶体特性

1．2．3 准晶应用

1．3 本文研究主要工作

第2章 光子晶体的理论方法和实验制备技术

2．1 光子晶体理论研究方法

2．1．1 时域有限差分法

2．1．2 其他理论计算方法

2．2 有机发光材料

2．2．1 有机小分子发光材料和金属配合物

2．2．2 有机高分子聚合物发光材料

2．3 光子晶体的制备方法

2．3．1 胶体自组装

2．3．2 其他制备三维光子晶体方法

2．3．3 微加工方法

2．4 小结

第3章 有机准晶微腔结构设计与优化

3．1 有机聚合物发光材料的选取

3．2 有机准晶激光器微腔结构设计

3．3 准晶结构及参数的研究

3．3．1 完整准晶光子晶体特点

3．3．2 平板厚度的影响

3．3．3 散射体半径与晶格常数的影响

3．4 微腔设计

3．4．1 9孔缺陷微腔设计

3．4．2 微腔结构的优化

3．5 小结

第4章 有机准晶光子晶体激光器的制备与特性测试

4．1 有机薄膜的制备

4．1．1 BEHP-co-MEH-PPV溶液的配制

4．1．2 有机薄膜的制备

4．1．3 准晶光子晶体微结构的刻蚀

4．2 测量结果及分析

4．2．1 有机聚合物发光材料光学特性

4．2．2 对器件的特性测量结果及分析

4．3 小结

第5章 基于长方形缺陷体的二维光子晶体分束滤波器

5．1 引言

5．2 结构设计

5．2．1 二维硅基四方晶格光子晶体的特性

5．2．2 长方形缺陷体的特性

5．2．3 双通道滤波器设计

5．2．4 三通道滤波和分束器

5．3 结论

第6章 总结与展望

参考文献

致谢

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