泵浦功率对Zno纳米柱发光特性的影响hou

存档编号赣南师范学院学士学位论文泵浦功率对ZnO纳米柱发光特性的影响教学学院物理与电子信息学院届别2011专业物理学学号070800024姓名雷园指导教师谢应茂完成日期目录内容摘要…………………………………………………………………1关键词……………………………………………………………………1Abstract…………………………………………………………………1Keywords………………………………………………………………11.引言……………………………………………………………………22.ZnO纳米柱发光特性研究的模型和理论……………………33.数值计算………………………………………………………………53.1无损耗和增益模式……………………………………………………………53.2考虑活性介质的损耗和增益…………………………………………………83.3无增益、损耗情况与有增益损耗时的比较……………………………………93.4波源位置对光场分布的影响……………………………………..3.5eshutofftim对光场的影响…………………………………….3.6边界设置对光场的影响………………………………………3.7透射率随增益系数0c的变化………………………………….4.结论与讨论……………………………………………………………………10参考文献…………………………………………………………………11致谢………………………………………………………………………13泵浦功率对ZnO纳米柱发光特性的影响摘要：基于无序介质激光机理，研究了泵浦功率对随机材料ZnO纳米柱的发光特性的影响，定性解释了局域模受激辐射阈值现象。泵浦功率阈值与无序介质的损耗有关。局域-非周期-类结构的无序介质的透射谱只与介质的结构有关，而与介质的损耗和增益有关，介质中光场相对强度的形状与损耗和增益无关，损耗和增益只改变介质中光场的强度。在无序介质中，不同的激发模具有不同的泵浦功率阈值。关键词：无序介质，泵浦功率，ZnO纳米柱，受激辐射，光波局域。1.引言随机介质通常是指一种折射率在光波长尺度内随机变化的介质，光波在这样的介质中表现出许多光学特性。1968年，俄罗斯科学院的Latokhov首次计算了无序增益介质中的光学特性，提出了无序增益介质中可能存在激光辐射现象。1994年，Lawandy等人在胶体溶液中发现了激光辐射现象,.Wiersma等人在粉末激光介质制成的半导体随机增益介质中也发现了激光辐射。美国西北大学的H.Cao等人在ZnO半导体无序介质中观察到了受激辐射现象，并研究了其光学性质，认为无序介质中的激光现象和光子的局域化密切相关，并用环形腔理论较好地解释了无序介质中的发光特性。随机增益介质中的受激辐射现象，不需要传统的激光腔，而是形成于光子的局域化。近几年的研究表明：无序介质中的受激辐射具有深刻的物理意义和丰富的物理内涵，其特殊的物理机制，以及在光子集成方面潜在的应用，引起了人们的广泛关注。本文基于无序介质机理，利用Rsoft软件，建立无序激光的整体散射效应物理模型，通过数值模拟，系统地研究了泵浦功率对ZnO纳米柱发光特性的影响，得到了一些模式特性，研究结果对无序介质受激辐射在各方面的应用具有重要意义。2.ZnO纳米柱发光特性研究的模型和理论2.1ZnO纳米柱发光特性研究的模型二维随机构型由大小无序，折射率为2.34（ZnO）的圆形散射颗粒随机分布在折射率为1(空气)的均匀介质中而构成。我们采用了一组随机数，建立了一个3030层的ZnO纳米柱模型，其中各个粒子的大小和位置都是无序的，粒子的大小是20~75nm。2.2ZnO纳米柱发光特性研究的理论在随机介质中，频率为w的电磁波在非均匀无损耗介质中传播时，它的电矢量E满足的Maxwell方程可简化为类似于固体中电子所满足的薛定谔（Schrodinger）波动方程的形式：EcEyxcEE221222),()(（1.1）式中，介电常数可表示为),()(1yxr（1.2）其中是平均介电常数，),(1yx是介电常数的空间涨落。设是介电常数在空间的相对涨落，则有),(),(1yxyx（1.3）将（1.3）代入（1.1）得到)],(1[),(yxyx（1.4）根据V.M.Apalkov等人的理论分析，作为的统计特征，方差2和自相关长度cl反映了涨落的强度和范围，是描述随机介质的重要参数，和随机介质环形波导的形成密切相关，是模拟中调整和研究的关键参数。本文用介电常数为1的椭圆形散射微粒随机分布在介电常数为的二维均匀介质中形成随机介质，散射微粒的位置由一个随机函数产生。散射微粒空间位置的随机性将导致介质介电常数的随机涨落。随机介质中介电常数分布可表示为：1),(yxwyywxxwyywxx0000,,，（1.5）其中，),(yx是散射微粒在二维随机介质中的空间位置,),(00yx表示涨落为零时散射颗粒的空间位置，w是一个满足正态分布的随机变量，其取值范围为[－1.0,1.0]。为了调节涨落强弱，引入一个可调系数来改变散射微粒空间位置涨落的强弱。w的均值和自相关长度与w相同，方差变为w的2倍。不同的值构成具有相同均值和自相关长度，不同涨落强度的随机介质。当0时，介电常数的涨落为零，介质有序。越大,介质的涨落越强。对于这个模型，要注意以下几个问题：1）边界条件。由于研究对象是有限随机介质，在介质的边界只有出射电磁波，没有入射电磁波。2）光波的局域化。经典电磁波的局域化可用类薛定鄂(Schrodinger)波动方程的Maxwell方程给出一个满意的解释。如公式（1.1）所示，212c是随机势能，是频率，1是介质常数的涨落，c是光速。能量202c总是正值。因为能量202c和随机能量212c都是频率的函数，所用当能量202c很小时，随机能量212c也很小。我们讨论下列情况：当ω很小时，介质的随机性将被忽略，光波将不能被局域化，因此在低频范围段将没有局域化现象。当ω很大，即在高频范围，几何光学很好的描述了电磁波的传播，不可能观察到局域化现象。所以，电磁波的局域化一定发生在中频范围。产生局域化的条件可以归结为:1.常数的高对比率，即1具有较大的值；2.低的吸收。这一特性在模拟中表现为介电常数0和1为实数；在我们的模拟模型中，用散射微粒的填充率表示散射微粒对光波的多重散射的强弱，填充率一般等于或大于40％。模拟中，我们发现电磁波的特性依赖于散射微粒特性，包括散射微粒的介电常数值的大小、散射微粒的涨落和空间分布等。3.少光波传播的相空间区域。根据标度理论，2D介质ZnO纳米柱中，所有态是局域化的。3）相位特性。光波的局域化是光波干涉的结果，因此在模拟中采用时域有限差分法（FDTD法），考虑光波的相位特征。4）增益介质。为了进一步探索在不同的泵浦功率情况下，光场通过活性无序介质的典型透射谱，我们首先将实际系统简化成由在空气中的电介质组成的具有局域—非周期—类结构的一类二维无序系统，电介质薄层和空气层的无序厚度分别为a和b。这里的电介质薄层是ZnO纳米柱的二维表示。a和b各自有最小值0a和0b，系统被空气包围。不防设)1(0aaaa和)1(0bbbb，其中ba和是（-1.0，1.0）间的随机数，10a和10b给出系统的无序程度。无序介质损耗可用ZnO电介质薄层（或空气间隔层）的损耗系数A（或B）表示。ZnO电介质的介电函数为)(A)('A-)(''Ai（1.3）)(A的虚部描述了受激辐射放大（)(‘‘A0）或吸收（)(‘‘A0）。根据ZnO纳米柱的增益谱特性，)(‘‘A可用高斯函数表示为]2)(exp[)(220''ggAwc（1.4）其中为光波波长，gw为增益谱的半个半高宽度，0c是与泵浦光强度有关的参数。对于ZnO活性介质，在室温下有：g=385.0nm,gw=6.0nm.对于活性介质层可引入有效折射率AAAeffAiinn)()(''2(1.5)在实验系统中，由于泵浦光垂直入射到活性无序介质表面上的一个小点上，所以一部分介质被泵浦，称为受激介质，另一部分介质未被泵浦。因此可将无序介质分成泵浦区和非泵浦区。一方面，无序介质的纳米粒子的尺寸近似均匀和适配，它的堆积密实或基本均匀，且折射率与另一填充介质(如空气)相互匹配，这样就有可能自然形成一些某种介于完全的无序状态和完全的周期结构之间的非周期性质的复杂的类结构系统。如ZnO团簇的球形界面实际上已提供了一个相对有一定规则的边界，它对ZnO团簇中的内部纳米粒子的排列有重要影响。也就是说，对大尺度范围的无序介质，在小区域内可能存在非完全无序的结构。在小区域内可能存在介于完全周期性和完全无序间的局域-非周期-类结构。由于光场被具有局域-非周期-类结构介质中的粒子多重散射，产生干涉现象，从而出现复杂的局域模，它类似于传统激光器中的腔模。当局域模位于活性介质的增益区时实现局域模的受激放大。受激激射是具有局域-非周期-类结构的活性无序介质中的一个整体效应，它是具有局域-非周期-类结构的活性无序介质的复杂局域模与相匹配的泵浦光场相互作用的结果。泵浦功率有一使增益正好达到损耗的临界值，即会有阈值现象的产生。泵浦功率阈值与无序介质的损耗有关。当泵浦功率低于这个临界值时，光放大不能补偿损耗，不能观察到激光发射，超过泵浦功率阈值时，在发射光谱中会出现多个受激辐射峰。在实际系统中，光被ZnO粒子散射。也就是说，在介质内，当光被ZnO散射并在介质内的空气中行走一段距离后再次被ZnO散射，然后又在介质内的空气中行走一段距离后又被ZnO散射，最后光被散射回到最初的散射体或离开介质。基于随机激光器的准态模理论，建立了数值模型，通过直接求解增益和非增益随机介质中的Maxwell方程，获得了准态模的频谱和空间分布、阈值及准态模的放大特性。3.数值计算由于ZnO电介质粒子是近似均匀的，在下面的数值模拟中我们取0a。nma0.1000，nmb0.500，34.2An，0.1Bn，5.0b。3.1无损耗和增益模式我们采用传输矩阵方法计算了没有损耗和增益(即0BA和00c)的15层局域-非周期-类结构的透射谱，如图3.1所示，其中横坐标表示波长，纵坐标T表示透射系数。从图3.1可以看出:(1)在波长375.0—395.0nm内有五个典型共振峰，它们的波长分别用4321,,,和5表示，其中nm4.3771，nm1.3812，nm9.3853，nm9.3884，nm8.3925。(2)各个共振峰的线宽是不同的，通过计算得到共振峰1，2，3，4，5的线宽分别为0.65nm，0.96nm，0.90nm，0.78nm，0.95nm。共振峰1线宽是最窄的，而共振峰2的线宽是最宽的。图3.2为对应于3.1中五个共振峰波长运行时间为300m（65536个时间步长）的光场在介质中的分布。图3.1具有五个典型峰的局域-非周期-类结构的透射谱)1(a)2(a1b)2(b)2(b3.2图3.1所标五个共振峰在介质内的光场分布(左为三维图，右为二维图)其中)2)(1(a、)2)(1(b、)2)(1(c、)2)(1(d和e(1)(2)分别对应于4321,,,和5另外，对于上述五个共振峰所对应的波长，每个单一波长都对timestopfdtd__进行了循环，循环间隔是20m，范围是200m—500m，观察同一波长对应于不同时间步长的光场图，发现波长为nm4.3771，1c)2(c)1(d)2(d)1(e)2(enm1.3812，nm9.3884，nm8.3925时，它们的光场分布图大致相同，与所运行的时间长短无关，运行时间只影响光场的强度，光场图如上所示，而当波长为nm9.385