表面等离子体增强的钙钛矿微型激光器的研究

摘要

随着信息化进程的不断深入，大容量数据通信成为主流，高效的激光器在光纤通信，光电集成电路中应用愈加广泛。有机—无机杂化卤化铅钙钛矿激光器被证明是已知的最高效的激光器，其制备原料为甲基铵铅卤化物钙钛矿（CH3NH3PbX3），具有成本低、工艺简单和效率高等优点。近年来，关于钙钛矿激光器的研究较多，但如何提高其光学性能以及降低激光损耗一直难以得到解决。利用金属纳米粒子的局域等离子激元共振的场增强原理可以有效的提高钙钛矿激光器的光学性能，并且制备简易，增强效果明显。这种表面等离子体增强的钙钛矿激光器在光电子学等领域有着重要的应用价值和发展前景。
　　本文提出了利用纳米金颗粒的局域表面等离子体的共振吸收增强作用，以解决激光器的损耗问题；并在此基础上选择溴化铅钙钛矿作为增益介质，研究了纳米金颗粒对激光器性能影响。主要研究内容如下：
　　理论分析金纳米颗粒的局域表面等离子体增强特性。通过理论计算说明了局域共振等离子激元增强是由两个因素引起：颗粒内部的偶极场以及外加电场作用。
　　基于金纳米颗粒的钙钛矿激光器实验样品的制备。制备出了粒径均一的纳米金颗粒，研究了不同尺寸纳米金颗粒的光学性能，探索了自组装成纳米金单膜的方法，确定了在2 h的自组装条件下，平均粒径为43 nm的金颗粒自组装最佳，从而匹配增益介质。同时也制备了发光性能较好的溴化铅钙钛矿薄膜和钙钛矿单晶。
　　基于金纳米颗粒的钙钛矿微型激光器的制备和性能测试。按照模型分别制备出了基于金纳米颗粒的棒状和片状钙钛矿微型激光器。在不同泵浦能量下测试了同一样品的同一位置的发光强度以及阈值曲线，将其与棒状和片状钙钛矿本身作对照，实现了较钙钛矿本身2倍以上的输出强度，同时实现了阈值10%的降低，即降低了纳米激光器的损耗，提高了其发光效率。
　　基于纳米金/钙钛矿薄膜随机激光器的制备和性能测试。将纳米金颗粒与钙钛矿薄膜溶液按特定方式均匀混合，制备出了纳米金/钙钛矿薄膜随机激光器。研究发现钙钛矿的荧光受到金纳米颗粒结构的等离激元散射作用被波导反馈，使等离激元散射作用在“光学反馈腔”的协同作用下远超过其吸收作用，从而实现低阈值激光输出。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 表面等离子体在激光器中的应用与发展

1.3 钙钛矿微型激光器的发展现状

1.4 主要研究内容

第2章 表面等离子体增强的理论基础

2.1 表面等离子激元的基本概念及特性

2.2 表面等离子体激元激励方式

2.3 局域表面等离子及其特性

2.4 光场增强原理的应用

2.5 本章小结

第3章 实验样品的制备与表征

3.1 金纳米颗粒的实验制备及自组装

3.2 钙钛矿薄膜及钙钛矿单晶的实验制备

3.3 本章小结

第4章 基于金纳米颗粒的钙钛矿微型激光器

4.1 基于金纳米颗粒的钙钛矿荧光湮灭

4.2 基于金纳米颗粒的钙钛矿微型激光器

4.3 本章小结

第5章 基于纳米金/钙钛矿薄膜随机激光器

5.1 随机激光基本概念

5.2 随机激光器制备方法与性能测试

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢