基于混合等离子体的纳米腔中激光定向出射的研究

摘要

纳米腔是一种尺寸在纳米数量级的谐振腔，它的原理是在折射率不连续的介质表面上的反射、衍射或者全反射等效应，把光约束限制在一个纳米尺寸的区域内。纳米腔在光通信器件和激光器等领域具有广泛而有前景的应用价值。
　　近年来，表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）的混合等离子激元纳米激光器吸引着广大科研工作者的注意。它能够突破衍射极限，在远低于其衍射限制的情况下产生和维持光。其强烈、相干而且具有限制能力的光场，可以显著提高光与物质的相互作用，并且从根本上为生物传感、数据存储、光刻和光通信等领域带来新的功能。然而现有的激光设计通常依赖于化学方法合成的纳米线和纳米微盘实现。这些化学合成的材料具有单晶等一系列优点，但是其缺点也很明显。这些结构通常在基片上是随机分布的，不适合于和片上的集成光回路之间的对接；同时，化学合成材料的形状通常固定在特定的形状，不具有好的方向性出射。
　　为了解决这些问题，我们在论文中针对自上而下的物理制备过程设计了一种基于半导体-绝缘体-金属的混合表面等离子纳米腔，着重研究了制备过程中不可避免的因素，例如表面粗糙度，形变对于纳米腔性质的影响，并最终得到了一种具有高适应性的单向平面内发射的纳米激光器的设计。
　　本论文集中研究了混合等离子体纳米腔的构型和激光出射特性，设计并仿真了一系列不同类型的纳米腔，同时仿真研究了纳米腔-波导的结构，在激光泵浦的条件下研究了纳米腔的场分布、Q值变化以及激光定向出射的特性。
　　本论文主要做出了以下工作：
　　建立了一种三维纳米腔结构，基于混合半导体-绝缘体-金属的微腔结构，仿真研究了纳米腔的场分布和Q值等性质。
　　接着，通过改变纳米腔的形状，对纳米腔的外边界和内边界等的形变研究了纳米腔的Q值、有效模体积和珀塞尔因子等，我们的结果表明纳米腔具有非常好的抗外界干扰能力以及较好的稳定性能。
　　提出了一种纳米腔-波导的新型结构，得到了沿波导的单向出射。同时，改变波导宽度、纳米腔表面粗糙度等，仿真研究了纳米腔定向出射激光Q值、有效模体积、珀塞尔因子等参数对于制备中变量的依赖，说明我们的设计具有很好的稳定性以及鲁棒性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 纳米微腔的简介

1.3 光学微腔的分类

1.4 表面等离子体激元的简介

1.5 本论文主要研究工作

第2章 纳米腔光学的理论基础和数值分析方法

2.1 纳米腔内光学的理论基础

2.2 数值分析方法

2.3 本章小结

第3章 纳米腔的形变对其稳定性的影响

3.1 变形微腔中激光的定向出射机制

3.2 四极圆变形纳米腔的稳定性

3.3 环形腔的稳定性研究

3.4 螺旋腔的稳定性研究

3.5 本章小结

第4章 纳米腔激光的定向出射

4.1 引言

4.2 圆形腔-波导激光定向出射机制

4.3 纳米腔的各项参数对激光定向出射的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢