【摘要】：激光在光學非線性效應的產(chǎn)生、傳感、通信等領域具有非常重要的應用價值。當器件降低到微納尺寸,如何降低激光閾值是更好實現(xiàn)上述應用的重要研究內(nèi)容。貴金屬納米顆粒的局域表面等離激元共振與外界光場能夠形成很強的耦合,在結構表面可以極大的增強局域場強度。這使得當熒光分子等增益材料與貴金屬納米顆粒形成耦合,能夠通過表面增強效應獲得更大的熒光發(fā)射。因而,由貴金屬納米顆粒及熒光分子構成的雜化結構有望作為超級熒光分子,以增強增益介質的增益強度,從而有效降低激光閾值,增大激光輸出強度。為了驗證這一方案,論文以銀納米球以及金核銀殼納米棒為例,通過對納米顆粒尺寸、殼層厚度的調整實現(xiàn)對局域表面等離激元共振波長的調制,進而調整由羅丹明6G熒光分子構成增益介質的增益特性。實驗檢測了由比色皿構成共振腔的激光輸出特性,通過對摻雜不同濃度貴金屬納米顆粒的羅丹明6G溶液激光輸出特性分析,獲得了優(yōu)化的降低激光閾值貴金屬納米結構和尺寸。這些實驗結果表明,除了增強熒光發(fā)射特性,貴金屬納米顆粒本身具有一定的吸收損耗,故需要通過對納米顆粒濃度和結構的調整,以獲得更小的激光閾值。具體工作如下:1.我們利用化學合成方法制備了約32 nm、56 nm、66 nm、82 nm、98nm五種直徑的銀納米球;同時制備了長和直徑分別約為55 nm和17 nm的金納米棒,并在其上包覆了厚度分別約為1.0 nm、3.5 nm、7.0 nm、8.5nm、10.0 nm、12.0 nm的銀殼層。這些貴金屬納米顆粒具有不同的局域表面等離激元共振峰位,能夠實現(xiàn)對羅丹明6G熒光發(fā)射的不同增強效果。2.以比色皿為光學諧振腔(腔長約1 cm),以脈沖激光器為泵浦源,將同一直徑的銀納米球以不同濃度與1 mM羅丹明6G混合作為增益介質進行了激光檢測實驗。測量結果表明:相較于未摻雜的羅丹明6G溶液(閾值約為7.0?J),隨著銀納米球濃度的增加,激光閾值先減小后增大,故添加銀納米球可以降低激光輸出的閾值。其中,當銀納米球直徑分別約為32、56、66、82、98 nm時,對應激光最小閾值分別約為5.78、5.12、4.84、5.03、5.68?J。3.在同樣的實驗條件下,將增益介質替換為具有不同厚度的金核銀殼納米棒以及羅丹明6G混合溶液,以檢測不同貴金屬納米結構對激光輸出特性的影響。實驗結果顯示:與未摻雜羅丹明6G溶液相比,金核銀殼納米棒同樣可以有效的降低激光出射的閾值,并且隨著金核銀殼納米棒濃度的增加,閾值也出現(xiàn)了先減小后增大的現(xiàn)象。其中,當銀殼厚度分別約為1.0、3.5、7.0、8.5、10.0、12.0 nm時,激光最小閾值分別約為5.36、5.30、5.34、5.14、5.13、5.20?J。從以上實驗結果可見,盡管貴金屬納米顆粒局域表面等離激元共振具有一定的吸收損耗,利用表面增強熒光效應仍然能夠有效降低激光輸出的閾值,其中當選擇合適的貴金屬納米結構,閾值可以降低到未摻雜情況約70%。這一結果對低閾值微納激光的產(chǎn)生具有重要的參考價值,同時通過對貴金屬納米結構的調整,有望進一步提高激光輸出性能。
【圖文】：

能量將會發(fā)生轉移，使處在基態(tài)的電子向高能級躍遷，形成粒子數(shù)反轉。而高能級的粒子不穩(wěn)定，將會以自發(fā)輻射和受激輻射的形式將能量釋放出來，最終分別形成熒光和激光，如圖1.1所示。自發(fā)輻射是高能級粒子本身具有的，有一定的輻射百分比，以熒光壽命來表征，其方向是不定的，輻射頻率也是粒子線寬內(nèi)的任意可能的頻率[2]。如果存在適當?shù)墓鈱W反饋，使得有些模式的光受激放大，就能形成激光出射的基礎。圖 1.1 粒子數(shù)躍遷示意圖[2]。Figure 1.1 schematic diagram of particle number transition[2].當然，在光學諧振腔內(nèi)，仍然有透射、衍射以及吸收等損耗的存在。如果在光學諧振腔內(nèi)，產(chǎn)生的增益無法彌補損耗，則光子數(shù)的增加也就無法形成對光的有效放大，最終反轉粒子數(shù)將會以自發(fā)輻射的形式消耗，，也就無法形成激光產(chǎn)生激射。只有當增益能夠克服掉整體損耗帶來的光子數(shù)減少，才能形成光的連續(xù)放大，產(chǎn)生激光。這個臨界點也就是激光的閾值。因此

圖 1.2 表面等離激元增強熒光特性示意圖[11]。.2 Schematic diagram of surface plasmon enhanced fluorescen率增加理論人認為熒光分子處于激發(fā)態(tài)時能夠將能量傳遞給其
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TN24

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 邵磊;阮琦鋒;王建方;林海青;;局域表面等離激元[J];物理;2014年05期

2 何鑫;張梅;馮晉陽;宋明霞;趙修建;;金屬銀增強熒光的最新研究進展[J];稀有金屬材料與工程;2011年03期

本文編號：2608159