三维限制微管谐振腔对硅纳米颗粒光增益的调制

纳米薄膜通过应力释放而自组装形成的微管结构可以作为一种独特的光学微管谐振腔。通过控制薄膜应力释放的卷起过程，可以制备具有三维限制的微管谐振腔，大大提高此类微管谐振腔振动模式的品质因子。将硅纳米颗粒预生长在纳米薄膜中，可以得到在谐振腔管壁内均匀分布的硅颗粒结构。由于谐振腔内共振的光场对硅纳米颗粒的发光具有Purcell增强效应，因而可以用来研究该体系对硅纳米颗粒光学增益的调制。本项目拟制备不同尺寸，含有不同硅纳米颗粒密度的微管谐振腔，并研究低温退火对微管结构以及硅颗粒发光性能的影响；利用激光共聚焦测量微谐振腔的共振模式谱，分析微谐振腔中的硅颗粒发光性能，测量评估Purcell增强效果；研究应力对硅纳米颗粒能隙的调制；利用FDTD方法计算微谐振腔中的共振模式；研究谐振腔中的硅纳米颗粒在光学增益增强下的受激辐射，探索硅激光器原型器件的制作。

光学微谐振腔以共振的形式把光约束在微米尺度的微小空间，在腔量子电动力学，光电子学以及光子学等领域具有广泛的研究价值。微管谐振腔由于其制备工艺与芯片集成相匹配，管壁厚度小于波长，轴向光学限制可调制等特点而备受关注。本项目旨在制备具有三维限制的微管谐振腔，通过在管壁中引入具有光致发光特性的半导体纳米颗粒，研究共振光与纳米颗粒的相互作用。在实验中，通过制备非对称微管结构，发现了一种新的轴向限制模式，从而实现了共振光的三维限制模式。在此基础上，我们进一步研究了这种三维限制的共振光与管壁上的单纳米颗粒以及与环境均匀介质的相互作用。在研究低温下（10K）共振光对管壁表面扰动的响应过程中，我们发现这种微管谐振腔可以实现对氧化物表面水分子吸附的实时灵敏探测。在往管壁引入半导体纳米颗粒的过程中，发现局域聚集的纳米颗粒会产生一个新的轴向势阱，从而在单谐振腔中实现了光学双势阱结构。此外，在研究共振光的偏振态演化的过程中，我们发现了由这种非对称谐振腔导致的光Berry相，从而使得这种微管结构在光量子通讯和信息处理中具有很好的前景。在研究过程中获得的利用共振光探测氧化物表面的水分子吸附方法，局域聚集的纳米颗粒导致的光学双势阱结构，以及微谐振腔中的光Berry相分别在表面分子动力学探测，光调制以及拓扑光子学方面表现更好的研究价值。