固体材料中的激射机理与超荧光研究

The mechanism of extensively observed lasing from solid material is complicated, its relation to superfluorescence has not been established yet. Superfluorescence is one of the fundamental phenomena in quantum optics, it is the intense emission from spontaneous coherence of high density excited states. Superfluorescence in gas system has been widely studied, with characteristics of time delay, quantum fluctuation and noise, quantum beating etc. However, superfluorescence from solid has been hardly realized, due to the very short dephasing time, usually from a couple of picoseconds to femtoseconds, determines a short time delay which can not easily resolved by ordinary measurement technique. Here we propose a systematic study of lasing from III-V and II-VI broadband semiconductors like GaN, InGaN, GaAs, ZnO, ZnS, ZnSe etc., by employing femtosecond fluorescence upconversion technique with a resolution of ～200 fs. The aim is to collect sufficient evidence for superfluorescence from these materials, furthermore, these altogether will show that the superfluorescence from solid exists extensively, and is more common than what expected previously.This research project has important application significance for producing new coherent ultrashort and ultraintense laser pulse source.

固体材料中广泛观察到的激射现象的机理比较复杂，与超荧光的关系还没有真正确立。超荧光是量子光学领域一种最基本的物理现象，它是高密度激发态自发相干作用后产生的强合作发射。气体超荧光已经被很好地研究和认识，其特点包括时间延迟，量子起伏和噪音，量子拍频等等。而固体超荧光却还几乎没有被认识到，这是因为固体系统中光学跃迁的退相时间（T2*）太短，通常几皮秒到飞秒量级，使得超荧光时间延迟过程较短，并且现有的一般时间分辨技术很难清晰分辨出来。 本项目将使用飞秒分辨荧光上转换技术，用200fs左右时间分辨精度对GaN, InGaN, GaAs, ZnO, ZnS, ZnSe等III-V和II-VI族宽带半导体材料中的激射过程进行系统研究，希望找到足够的实验证据证明这些固体激射实际上是超荧光，进而说明固体超荧光普遍存在。本项目的研究对产生新型相干、超短和超强激光脉冲源具有重要应用意义。

本工作围绕发光材料超窄光谱的放大的自发发射（ASE）、超辐射、随机激射、微腔激射和超荧光等进行机理性和可调控性研究：（1）利用有机发光聚合物与氮化硅混合易于集成的特点，在该有机物膜及微盘结构上获得ASE及随机激射，分析了激发条件和微盘大小对激射产生的机理与影响。（2）利用自带缺陷坑的GaN膜，实现了室温下随机激射。并利用空间/光谱分辨激射剖面研究了局域模式，分析二维缺陷坑作为弱散射体，形成随机闭环腔，提供光相干反馈。（3）研究了在单个GaN微米线中，基于微坑散射的自建局域腔的随机激射，利用快速傅里叶变换光谱研究了空间局域腔尺寸与泵浦强度和温度的依赖关系。分析激射模式起源于微米线中的不同区域随机激射。（4）通过时域有限差分法计算光子晶体的透射谱，首次提出了五重光子晶体(PC)结构，并对其质量因子、归一化频率和电磁场分布进行了数值模拟。通过对结构参数的初步优化，得到了具有高Q因子的单缺陷五重PC微腔(∼2212)和WGM模式六缺陷五重PC微腔(∼13300)，未来可以用于低阈值激射研究。（5）研究了一系列AlGaN/AlN/Al2O3结构高温AlN中间层对AlGaN薄膜光学性能的影响；建立了高温生长和低温生长AlN层的四层模型的物理机制。为紫外激射光源提供制备参考。（6）展示了单微米线一种基于高Q因子WGM模式微腔空穴增强TPA光响应。TPA探测响应依赖于入射光偏振方向。为多光子探测及激射研究提供基础。（7）对一系列低Ge组分Si1-xGex/Si 样品进行了光学和结构性质的分析。推测该合金中的Ge在低组分倾向于形成团簇结构。该团簇的研究对材料制备及发光的调控具有重要的参考价值。