ZnO/ZnMgO量子阱与金属表面等离子体混合微腔亚波长激光器件特性研究

Sub-wavelength surface plamas laser structures have been the subject of intense research in recent year. The strongly confinement properties of the structures could break through the diffraction limit, Realized the nanolaser at room temperature. However, the strong metal absorption of in UV leading to the high threshold. which confines the application of this structures. ZnO has the high optical gain coefficient. This problem maybe solve in ZnO materials. This project is to realize the ZnO/ZnMgO quantum well super-injection by adjust the structure of quantum well; to composition the optical absorption of metal, fabricate metal surface plasmas polariton (SPP) and semiconductor cavity hybrid micro-cavity sub-wavelength laser. We adjust the surface plasmas mode by insert the dielectric layer between active layer and metal layer, and fabricate the structure: surrounded the ZnO/ZnMgO quantum well nanorod by a thin insulating layer and then encapsulated in metal. The semiconductor gain region was surrounded by the metallic cavity. Optimization the device structure according to the theoretical results and realize the low threshold sub-wavelength ZnO/ZnMgO quantum well Laser at room temperature.

亚波长尺度金属表面等离子体激光器件是近年来国际研究热点。它突破传统光学衍射极限，实现纳米尺寸激光器。然而，在短波长紫外区强烈的金属吸收损耗导致高激射阈值，限制了该类器件在紫外波段的应用。本项目拟在ZnO的高光学增益系数的基础上,对ZnO/ZnMgO量子阱结构进行调控，实现量子阱中激子的超注入效果，进一步增强其光学增益，从而有效的补偿由金属吸收导致的光学模式损耗，在金属表面等离子体与ZnO/ZnMgO量子阱相结合形成的混合微腔结构中实现低阈值亚波长紫外激光器。通过理论模拟微腔器件结构,设计并制备芯层为量子阱,中间层为介电层,外层为金属的金属-半导体混合微腔。通过优化微腔结构，在室温下,实现低阈值的ZnO/ZnMgO量子阱金属表面等离子体混合微腔亚波长激光器件。

在亚波长共振结构中，物质和电磁场的相互作用导致的腔量子电动力学效应是近年来人们的研究热点。由于光的衍射极限的制约，传统的激光器有最小尺寸的限制，但表面等离子体激光器件可以突破衍射极限，在亚波长范围内产生很强的光和物质相互作用，在纳米光子和信息技术方面有广泛的应用。该项目就是在这一背景下展开的，本项目在执行期内开展了以下相关的研究工作：.1.为了实现亚波长的激光发射，我们尝试构造不同结构的光学微腔，优化微腔结构，开展了基于罗丹明6G(R6G)柔性瓶状微腔的回音壁(WGM)激光特性研究。通过控制瓶状微腔的直径可以实现超低损耗激光模式。通过研究WGM激光作用，分析了激光阈值、Q因子以及F因子对微腔半径的依赖关系。并利用三维有限差分时域方法探索了瓶状微腔的WGM激光特性。为新型微纳结构亚波长激光提供了解决方案。.2.用CVD的方法制备超大尺寸的ZnO单根微米线，在单根微米线中实现了回音壁模式的激光，与Ag纳米粒子结合，利用金属表面等离子体实现了ZnO微米线的激光增强。.3.制备高质量的非极性的GaN微米线，在该微米线中实现了低阈值的紫外激光发射，在微纳尺度实现了高效的紫外激光，阈值激发功率（120KW/cm2）下会激发出多个激光模式，其中在波长375nm，激光模式间隔为0.8nm。.4.提出了一种在深亚波长尺度上实现混合泄漏模式激光的方法。通过调节氧化锌纳米线的直径，在纳米线与金属衬底之间的间隙介电层中存在混合等离子体(HSP)模式和混合电学(HE)模式。对于直径低于75nm的纳米线，不存在有效的物理光学模式，即HSP模式和HE模式都是截止模式。由于纳米线的直径大于发射光的波长，光子可以很好地限制在纳米线上，从而减少泄漏能量。因此，HE模式更有可能实现混合泄漏模式激光。与HE模式相比，长传播距离的HE1模更有可能实现亚波长尺度的激光。最后，通过FDTD全时域非线性三维模拟，证明了HE1模的激光激射。从而优化设计亚波长激光器结构。