【摘要】：激光在光學(xué)非線性效應(yīng)的產(chǎn)生、傳感、通信等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用價值。當(dāng)器件降低到微納尺寸,如何降低激光閾值是更好實現(xiàn)上述應(yīng)用的重要研究內(nèi)容。貴金屬納米顆粒的局域表面等離激元共振與外界光場能夠形成很強(qiáng)的耦合,在結(jié)構(gòu)表面可以極大的增強(qiáng)局域場強(qiáng)度。這使得當(dāng)熒光分子等增益材料與貴金屬納米顆粒形成耦合,能夠通過表面增強(qiáng)效應(yīng)獲得更大的熒光發(fā)射。因而,由貴金屬納米顆粒及熒光分子構(gòu)成的雜化結(jié)構(gòu)有望作為超級熒光分子,以增強(qiáng)增益介質(zhì)的增益強(qiáng)度,從而有效降低激光閾值,增大激光輸出強(qiáng)度。為了驗證這一方案,論文以銀納米球以及金核銀殼納米棒為例,通過對納米顆粒尺寸、殼層厚度的調(diào)整實現(xiàn)對局域表面等離激元共振波長的調(diào)制,進(jìn)而調(diào)整由羅丹明6G熒光分子構(gòu)成增益介質(zhì)的增益特性。實驗檢測了由比色皿構(gòu)成共振腔的激光輸出特性,通過對摻雜不同濃度貴金屬納米顆粒的羅丹明6G溶液激光輸出特性分析,獲得了優(yōu)化的降低激光閾值貴金屬納米結(jié)構(gòu)和尺寸。這些實驗結(jié)果表明,除了增強(qiáng)熒光發(fā)射特性,貴金屬納米顆粒本身具有一定的吸收損耗,故需要通過對納米顆粒濃度和結(jié)構(gòu)的調(diào)整,以獲得更小的激光閾值。具體工作如下:1.我們利用化學(xué)合成方法制備了約32 nm、56 nm、66 nm、82 nm、98nm五種直徑的銀納米球;同時制備了長和直徑分別約為55 nm和17 nm的金納米棒,并在其上包覆了厚度分別約為1.0 nm、3.5 nm、7.0 nm、8.5nm、10.0 nm、12.0 nm的銀殼層。這些貴金屬納米顆粒具有不同的局域表面等離激元共振峰位,能夠?qū)崿F(xiàn)對羅丹明6G熒光發(fā)射的不同增強(qiáng)效果。2.以比色皿為光學(xué)諧振腔(腔長約1 cm),以脈沖激光器為泵浦源,將同一直徑的銀納米球以不同濃度與1 mM羅丹明6G混合作為增益介質(zhì)進(jìn)行了激光檢測實驗。測量結(jié)果表明:相較于未摻雜的羅丹明6G溶液(閾值約為7.0?J),隨著銀納米球濃度的增加,激光閾值先減小后增大,故添加銀納米球可以降低激光輸出的閾值。其中,當(dāng)銀納米球直徑分別約為32、56、66、82、98 nm時,對應(yīng)激光最小閾值分別約為5.78、5.12、4.84、5.03、5.68?J。3.在同樣的實驗條件下,將增益介質(zhì)替換為具有不同厚度的金核銀殼納米棒以及羅丹明6G混合溶液,以檢測不同貴金屬納米結(jié)構(gòu)對激光輸出特性的影響。實驗結(jié)果顯示:與未摻雜羅丹明6G溶液相比,金核銀殼納米棒同樣可以有效的降低激光出射的閾值,并且隨著金核銀殼納米棒濃度的增加,閾值也出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象。其中,當(dāng)銀殼厚度分別約為1.0、3.5、7.0、8.5、10.0、12.0 nm時,激光最小閾值分別約為5.36、5.30、5.34、5.14、5.13、5.20?J。從以上實驗結(jié)果可見,盡管貴金屬納米顆粒局域表面等離激元共振具有一定的吸收損耗,利用表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)仍然能夠有效降低激光輸出的閾值,其中當(dāng)選擇合適的貴金屬納米結(jié)構(gòu),閾值可以降低到未摻雜情況約70%。這一結(jié)果對低閾值微納激光的產(chǎn)生具有重要的參考價值,同時通過對貴金屬納米結(jié)構(gòu)的調(diào)整,有望進(jìn)一步提高激光輸出性能。
【圖文】：

能量將會發(fā)生轉(zhuǎn)移，使處在基態(tài)的電子向高能級躍遷，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。而高能級的粒子不穩(wěn)定，將會以自發(fā)輻射和受激輻射的形式將能量釋放出來，最終分別形成熒光和激光，如圖1.1所示。自發(fā)輻射是高能級粒子本身具有的，有一定的輻射百分比，以熒光壽命來表征，其方向是不定的，輻射頻率也是粒子線寬內(nèi)的任意可能的頻率[2]。如果存在適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)反饋，使得有些模式的光受激放大，就能形成激光出射的基礎(chǔ)。圖 1.1 粒子數(shù)躍遷示意圖[2]。Figure 1.1 schematic diagram of particle number transition[2].當(dāng)然，在光學(xué)諧振腔內(nèi)，仍然有透射、衍射以及吸收等損耗的存在。如果在光學(xué)諧振腔內(nèi)，產(chǎn)生的增益無法彌補(bǔ)損耗，則光子數(shù)的增加也就無法形成對光的有效放大，最終反轉(zhuǎn)粒子數(shù)將會以自發(fā)輻射的形式消耗，，也就無法形成激光產(chǎn)生激射。只有當(dāng)增益能夠克服掉整體損耗帶來的光子數(shù)減少，才能形成光的連續(xù)放大，產(chǎn)生激光。這個臨界點也就是激光的閾值。因此

圖 1.2 表面等離激元增強(qiáng)熒光特性示意圖[11]。.2 Schematic diagram of surface plasmon enhanced fluorescen率增加理論人認(rèn)為熒光分子處于激發(fā)態(tài)時能夠?qū)⒛芰總鬟f給其
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TN24

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 邵磊;阮琦鋒;王建方;林海青;;局域表面等離激元[J];物理;2014年05期

2 何鑫;張梅;馮晉陽;宋明霞;趙修建;;金屬銀增強(qiáng)熒光的最新研究進(jìn)展[J];稀有金屬材料與工程;2011年03期

本文編號：2608159