基于飛秒激光的半導體納米線二階非線性光學效應研究.pdf

1、納米光子學是納米科學技術的重要分支,主要研究亞波長尺度下光與物質(zhì)相互作用的基本規(guī)律及應用。半導體納米線作為納米光子學中重要的基本素材元件,兼顧了納米尺寸下特有的局域場增強效應及半導體材料的復合發(fā)光特性,在強光場作用下其非線性系數(shù)會顯著增強,從而產(chǎn)生明顯優(yōu)于塊狀半導體材料的非線性發(fā)光特性。近十幾年來,研究人員已經(jīng)對其在納米激光器、混頻器、太陽能電池、光電集成回路、生物傳感等領域的應用潛力進行了極具創(chuàng)新和想象力的前沿探索,并取得了突破性成果

2、。
　　本文在納米光子學的框架內(nèi)充分調(diào)研了半導體納米線的發(fā)光特性,對前人理論和實驗方面的工作進行了綜述。著重介紹了半導體納米線的非線性共振和非線性非共振響應特性,探討了納米線結構二階非線性效應產(chǎn)生的物理機制。
　　其次,重點對純閃鋅礦GaAs納米線的兩種二階非線性光學特性進行了實驗和理論分析。利用有限元法(Finite Element Method,FEM)在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下數(shù)值模擬了納米線結構中局域場增強效應的存在,并在單

3、根納米線上成功模擬了SHG信號的產(chǎn)生。在此基礎上,實驗驗證了納米線的倍頻特性,表明GaAs納米線可以實現(xiàn)至少1300-1600nm波段的寬帶倍頻,可以對800-1800nm近紅外波段范圍內(nèi)的入射飛秒激光進行精確的可調(diào)諧倍頻,且倍頻信號對于垂直于納米線軸向入射的光場偏振具有極高的偏振選擇性。
　　最后對同樣的納米線進行了和頻信號產(chǎn)生實驗。利用1040nm單波長飛秒激光器和輸出在1416-1770nm的光參量振蕩器(Optical P

4、arameter Oscillator,OPO),成功在納米線上探測到了可調(diào)諧的和頻信號。其偏振敏感性相對于倍頻信號較弱,本文利用塊狀晶體的非線性極化率張量對這一結果進行了理論解釋。利用兩脈沖互相關信號對參考光延時的敏感性可以較為精確地測量(誤差2.4％)待測脈沖的脈寬。
　　實驗結果表明,純閃鋅礦GaAs納米線對入射飛秒激光具有優(yōu)良的倍頻與和頻特性,是一種高性噪比、寬波段響應的優(yōu)良混頻器,在納米光子器件領域具有極具廣闊的應用前景