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

1、半導(dǎo)體納米材料因其獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)以及在微型化光電子器件中的潛在應(yīng)用而得到了廣泛的研究。作為典型的II-VI族半導(dǎo)體材料，硫化鎘(Cadmium Sulfide，CdS)和氧化鋅(Zinc Oxide，ZnO)分別在可見(jiàn)光和紫外光波段的光電子器件如納米激光器、光電探測(cè)器和光調(diào)制器等中有重要的應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，而且雙光子激發(fā)時(shí)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(yīng)用前景。因此，研究雙光子激發(fā)下CdS納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性具有重要的意義。本論文利用近紅外波長(zhǎng)的飛秒激光作為激發(fā)光源，結(jié)合自行搭建的遠(yuǎn)場(chǎng)共焦顯微測(cè)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(yīng)；研究了激發(fā)光偏振方向以及樣品的結(jié)構(gòu)形貌對(duì)樣品發(fā)光強(qiáng)

3、度的影響；同時(shí)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(xué)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(pán)結(jié)構(gòu)。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀測(cè)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(zhǎng)為325nm的激光共焦拉曼光譜儀測(cè)試了樣品的發(fā)光特性。
　　設(shè)計(jì)并搭建了籠式光學(xué)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(diǎn)，能夠方便地對(duì)單個(gè)微納

4、樣品進(jìn)行精密原位測(cè)量與成像。利用該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)采用的激發(fā)光源為振蕩級(jí)飛秒激光和放大級(jí)飛秒激光，激發(fā)光的中心波長(zhǎng)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(jí)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(yīng)，并討論了樣品的熒光強(qiáng)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(jí)飛秒激光觀測(cè)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(guò)程，同時(shí)研究了樣品產(chǎn)生激

5、光的強(qiáng)度與激發(fā)光偏振方向的關(guān)系。采用時(shí)域有限差分法對(duì)不同激發(fā)光偏振方向時(shí)單根CdS納米線周?chē)碾妶?chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，進(jìn)一步從理論上分析了發(fā)光強(qiáng)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(pán)的雙光子熒光及激光特性。在振蕩級(jí)飛秒激光作用下觀測(cè)到不同納米盤(pán)結(jié)構(gòu)的雙光子熒光及二次諧波效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)盤(pán)狀結(jié)構(gòu)具有更高的發(fā)光效率。在放大級(jí)飛秒激光作用下研究了矩形納米盤(pán)結(jié)構(gòu)的激光特性，發(fā)現(xiàn)納米盤(pán)結(jié)構(gòu)相對(duì)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(guò)角度分辨探測(cè)，發(fā)現(xiàn)CdS納米盤(pán)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(xué)特性。采用納米球刻蝕技術(shù)結(jié)合反應(yīng)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(jí)飛秒激光作為激發(fā)光源，通過(guò)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(qiáng)的雙光子吸收和較弱的非線性折射效應(yīng)，且雙光子吸收系數(shù)比ZnO薄膜大了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步通過(guò)線性吸收實(shí)驗(yàn)