回音壁模式激光微腔的设计与制备
目 录
1 绪论 1
1.1 WGM微腔 1
1.2 法布里-珀罗微腔 1
1.3 WGM微腔应用 1
1.3.1 滤波器 2
1.3.2高灵敏度传感 2
1.3.3 低阈值激光器 2
1.3.4 非线性光学 2
2 实验设备 2
2.1 样品制备平台 3
2.2 样品表征平台 3
2.3 光学测试平台 5
3 ZnO微米棒WGM微腔制备与表征 5
3.1 样品制备 5
3.2 样品形貌与结构表征 6
4 实验结果与分析 6
4.1 实验光谱图 7
4.2 激发阈值分析 8
4.3 WGM模式分析 9
结论 12
致谢 13
参考文献 14
绪论
目前，ZnO微纳米结构中紫外激光的研究已取得明显得进步。美国西北大学H. Cao研究组[1]较早的时候报道了基于薄膜材料中晶界散射的随机激光，加州大学柏克莱分校P. Yang研究组[2]报道了关于纳米线结构中的F-P激光。前者散射损耗较大，模式很难控制；后者透射损耗较大，并且不易得到高品质、低阈值的激光。WGM激光利用了光在高折射率介质内壁进行全反射而形成振荡微腔，然后可以避免半导体激光器中复杂的DBR或DFB设计过程和生长工艺，而且可以获得较低的阈值和较高的品质因子Q[3]。利用简单的方法所制备的六重对称结构的微纳米ZnO单晶具有较高的紫外发光效率、较高的载流子迁移速率以及较高的折射率。当光线在ZnO微纳米结构的正六边形边界的内壁全反射时，可以形成高品质的WGM微腔。
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WGM微腔
光学微腔的尺寸一般是微米量级或亚微米量级，在折射率不连续的介质界面上反射、全反射或衍射等将光限制在一个很小的空间内。当声波在弯曲光滑的墙面上不断发生反射而传播了很远的距离并且损耗很小，这样被称为回音壁模式（WGM）。类似的，光从光密介质入射到光疏介质，而且入射角足够大的时候，两种介质的交界面上就会发生全反射，其中也存在光学WGM，通过全反射，光线一直被局域在腔内保持稳定的传播模式。
1.2 法布里-珀罗微腔
法布里-珀罗（FP）具有较高的Q值，在很多领域有较为广泛的应用，然而其腔体尺寸大、不易集成、高反射率的腔镜造价昂贵并且装置复杂，这些都限制了FP腔的应用。而WGM微腔不仅具有高Q值的特性，体积小、成本低、易制备也是它的优点，因而应用前景十分广泛。由于光学、材料学以及半导体工艺的发展，不同材料、不同形状的WGM微腔陆续出现，有微球腔[5]、微盘腔[6]、微环芯腔[7]等。
1.3 WGM微腔应用
WGM微腔的高Q值、可集成等特性，使其在集成光学器件中得到广泛应用。例如高效滤波器、高灵敏传感器、低阈值激光器、信号延时器等。WGM微腔体积小，利用其腔内光与原子或介质的强相互作用，单光子尺度下的非线性光学效应，制备单光子和纠缠光源，实现量子的光频率转换。
1.3.1 滤波器
光通讯领域中，较好的隔离度、窄宽的信号、合适的自由光谱的滤波器件，一直是人们关注的重点。而WGM微腔在这些方面有着得天独厚的优势。1997 年提出的基于波导和微环腔的耦合系统，用来实现通信信道中的滤波，用一个波导与微环耦合作为输入端，同时，微环再与另一个波导耦合作为输出。 如图1.1 所示，输入通道中的信号光只有频率与腔的谐振频率保持一致的时候，光才能耦合进微腔中，进而达到滤波的效果。在波长选择时需要一定的选择范围，所以对于滤波器件的工作波长要协调，其核心是调节介质折射率来改变器件的工作波长，WGM的高Q值、易集成、偶合的特性，能进一步提高滤波器的效率和调节速率[9，10]。
图1.1 WGM微腔滤波器原理图
1.3.2 高灵敏度传感
外界环境的扰动会致使WGM微腔谱线的位置发生明显变动，从而很容易被探测到，最终实现某些特殊参数的检测[11]。图 9 所示为WGM微腔进行传感实验的示意图。将微腔和波导浸入特定的液态环境后，液体中所包含的是需要探测的生物分子。该类微腔需要进行表面的敏感化处理，才能使得生物分子吸附到微腔的表面。
图1.2生物分子或纳米颗粒黏附到WGM微腔时, 导致了共振模式的漂移
1.3.3 低阈值激光器
WGM微腔因其低损耗、体积小等特点能大大降低激光器的阈值，所以低阈值微腔激光器的研究收到了极大的关注，WGM微腔通过掺杂注入、黏附覆盖、自身含有增益介质获得不同工作波段的激光。
1.3.4 非线性光学
WGM微腔极易得到高能量密度，适合研究非线性光学现象。和液态微腔相比，固态微腔不仅具有高Q值，耦合操作更方便，利用微腔的高Q值的谐振增强效应，来将非线性效应阈值降低至微瓦量级。
2 实验设备
最近几年，人们已经发现了多种制备ZnO纳米材料的方法。气相法是目前为止生长ZnO纳米材料最有效、最简单的方法之一。气相生长过程中，流体相的气相分子密度很低，气相和固相的比热容相差比较大，因此生长晶体要比从熔体或者溶液中生长晶体慢很多，适合于制备小尺寸晶体。主要特点包括：（1）制备的晶体结晶定向好，适合于制备一维材料；（2）能在较低温度下制备难熔材料，例如金属碳化物、氮化物、氧化物等；（3）适应性好，可用来制备各种单质、化合物和复合材料。因此它被广泛应用于制备各种不同材料和纳米结构。
2.1 样品制备平台
图2.1 双温区高温管式炉
本论文中，ZnO微米棒[12，13]主要通过化学气相沉积法来制备。化学气相沉积法的原理是：气态物质在固体表面进行化学反应之后，生成固态沉积物。
利用化学气相沉积法制备ZnO微米棒的影响因素主要包括以下几点：原材料种类、蒸发的温度、原料与衬底的相对位置、炉管的压强、通气的时间等等。为了有效地控制这些因素，我们采用双温区高温管式炉（如图2.1所示）。硅碳棒加热了之后，将升温的速度调节为8 ℃/min，再利用机械泵来抽取真空。在反应室的中间有两段恒温区（高温区和低温区）。制备ZnO微米棒时，先直接将原料(高温区)和衬底(低温区)放在一个石英管里快速推入管式炉内，然后使加热炉的温度上升到设定温度。用特定比例的氮/氧混合载气或氩/氧混合载气把含锌蒸气吹到下游衬底所在的位置，使其在衬底上生长形成微米棒。
2.2 样品表征平台
本文主要研究ZnO微米棒的制备及其光学性质，而现代材料学的发展除了依赖于材料的性能之外，还依赖于其他成分结构关系，所以对该复合材料进行精细的结构表征也是本文的重要组成部分。ZnO材料易形成各式各样的结构，因此我们要对制备出来的ZnO微米棒进行形貌和结构的表征，光学性质以及透射的测量也可以让我们对材料有更深入的了解，随后在此基础上制备器件。本文采用扫描电子显微镜（SEM）对ZnO微米棒进行表征。
扫描电子显微镜是一种电子光学仪器。它制样简单，放大倍率可调范围广，而且图像分辨率高，广泛运用于生物学、医学以及冶金学等领域。扫描电子显微镜主要包括真空系统、电子束系统和成像系统。其中电子光学系统是透射电镜的核心,由电子枪、电子透镜系统和信号收集系统组成。它的工作原理是：高压电子枪发射一串电子束，先经过栅极聚焦，再经过由几个电磁透镜组成的光学系统，最后汇聚成一束光打在样品上。高能电子束与样品表面的物质发生了相互作用，之后经过相应的电子探测器收集，最终可以得到样品表面的微观组织结构和形貌特征等信息。扫描电子显微镜作为研究材料最常用的仪器设备，具备多种多样的功能，包括了以下几点：固体材料断口的表面形貌特征，材料的物相分析、成分分析等。扫描电子显微镜可以用来观察纳米材料表面的形貌特征以及尺寸大小，也可以分析纳米材料的元素组成。扫描电子显微镜在形貌观察方面，不同于透射电子显微镜的地方就在于扫描电子显微镜观察的一般是样品的总体形貌，同时扫描电子显微镜所具备的能量散射谱可以测定样品整体的元素分布。
1 绪论 1
1.1 WGM微腔 1
1.2 法布里-珀罗微腔 1
1.3 WGM微腔应用 1
1.3.1 滤波器 2
1.3.2高灵敏度传感 2
1.3.3 低阈值激光器 2
1.3.4 非线性光学 2
2 实验设备 2
2.1 样品制备平台 3
2.2 样品表征平台 3
2.3 光学测试平台 5
3 ZnO微米棒WGM微腔制备与表征 5
3.1 样品制备 5
3.2 样品形貌与结构表征 6
4 实验结果与分析 6
4.1 实验光谱图 7
4.2 激发阈值分析 8
4.3 WGM模式分析 9
结论 12
致谢 13
参考文献 14
绪论
目前，ZnO微纳米结构中紫外激光的研究已取得明显得进步。美国西北大学H. Cao研究组[1]较早的时候报道了基于薄膜材料中晶界散射的随机激光，加州大学柏克莱分校P. Yang研究组[2]报道了关于纳米线结构中的F-P激光。前者散射损耗较大，模式很难控制；后者透射损耗较大，并且不易得到高品质、低阈值的激光。WGM激光利用了光在高折射率介质内壁进行全反射而形成振荡微腔，然后可以避免半导体激光器中复杂的DBR或DFB设计过程和生长工艺，而且可以获得较低的阈值和较高的品质因子Q[3]。利用简单的方法所制备的六重对称结构的微纳米ZnO单晶具有较高的紫外发光效率、较高的载流子迁移速率以及较高的折射率。当光线在ZnO微纳米结构的正六边形边界的内壁全反射时，可以形成高品质的WGM微腔。
1.1 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
WGM微腔
光学微腔的尺寸一般是微米量级或亚微米量级，在折射率不连续的介质界面上反射、全反射或衍射等将光限制在一个很小的空间内。当声波在弯曲光滑的墙面上不断发生反射而传播了很远的距离并且损耗很小，这样被称为回音壁模式（WGM）。类似的，光从光密介质入射到光疏介质，而且入射角足够大的时候，两种介质的交界面上就会发生全反射，其中也存在光学WGM，通过全反射，光线一直被局域在腔内保持稳定的传播模式。
1.2 法布里-珀罗微腔
法布里-珀罗（FP）具有较高的Q值，在很多领域有较为广泛的应用，然而其腔体尺寸大、不易集成、高反射率的腔镜造价昂贵并且装置复杂，这些都限制了FP腔的应用。而WGM微腔不仅具有高Q值的特性，体积小、成本低、易制备也是它的优点，因而应用前景十分广泛。由于光学、材料学以及半导体工艺的发展，不同材料、不同形状的WGM微腔陆续出现，有微球腔[5]、微盘腔[6]、微环芯腔[7]等。
1.3 WGM微腔应用
WGM微腔的高Q值、可集成等特性，使其在集成光学器件中得到广泛应用。例如高效滤波器、高灵敏传感器、低阈值激光器、信号延时器等。WGM微腔体积小，利用其腔内光与原子或介质的强相互作用，单光子尺度下的非线性光学效应，制备单光子和纠缠光源，实现量子的光频率转换。
1.3.1 滤波器
光通讯领域中，较好的隔离度、窄宽的信号、合适的自由光谱的滤波器件，一直是人们关注的重点。而WGM微腔在这些方面有着得天独厚的优势。1997 年提出的基于波导和微环腔的耦合系统，用来实现通信信道中的滤波，用一个波导与微环耦合作为输入端，同时，微环再与另一个波导耦合作为输出。 如图1.1 所示，输入通道中的信号光只有频率与腔的谐振频率保持一致的时候，光才能耦合进微腔中，进而达到滤波的效果。在波长选择时需要一定的选择范围，所以对于滤波器件的工作波长要协调，其核心是调节介质折射率来改变器件的工作波长，WGM的高Q值、易集成、偶合的特性，能进一步提高滤波器的效率和调节速率[9，10]。
图1.1 WGM微腔滤波器原理图
1.3.2 高灵敏度传感
外界环境的扰动会致使WGM微腔谱线的位置发生明显变动，从而很容易被探测到，最终实现某些特殊参数的检测[11]。图 9 所示为WGM微腔进行传感实验的示意图。将微腔和波导浸入特定的液态环境后，液体中所包含的是需要探测的生物分子。该类微腔需要进行表面的敏感化处理，才能使得生物分子吸附到微腔的表面。
图1.2生物分子或纳米颗粒黏附到WGM微腔时, 导致了共振模式的漂移
1.3.3 低阈值激光器
WGM微腔因其低损耗、体积小等特点能大大降低激光器的阈值，所以低阈值微腔激光器的研究收到了极大的关注，WGM微腔通过掺杂注入、黏附覆盖、自身含有增益介质获得不同工作波段的激光。
1.3.4 非线性光学
WGM微腔极易得到高能量密度，适合研究非线性光学现象。和液态微腔相比，固态微腔不仅具有高Q值，耦合操作更方便，利用微腔的高Q值的谐振增强效应，来将非线性效应阈值降低至微瓦量级。
2 实验设备
最近几年，人们已经发现了多种制备ZnO纳米材料的方法。气相法是目前为止生长ZnO纳米材料最有效、最简单的方法之一。气相生长过程中，流体相的气相分子密度很低，气相和固相的比热容相差比较大，因此生长晶体要比从熔体或者溶液中生长晶体慢很多，适合于制备小尺寸晶体。主要特点包括：（1）制备的晶体结晶定向好，适合于制备一维材料；（2）能在较低温度下制备难熔材料，例如金属碳化物、氮化物、氧化物等；（3）适应性好，可用来制备各种单质、化合物和复合材料。因此它被广泛应用于制备各种不同材料和纳米结构。
2.1 样品制备平台
图2.1 双温区高温管式炉
本论文中，ZnO微米棒[12，13]主要通过化学气相沉积法来制备。化学气相沉积法的原理是：气态物质在固体表面进行化学反应之后，生成固态沉积物。
利用化学气相沉积法制备ZnO微米棒的影响因素主要包括以下几点：原材料种类、蒸发的温度、原料与衬底的相对位置、炉管的压强、通气的时间等等。为了有效地控制这些因素，我们采用双温区高温管式炉（如图2.1所示）。硅碳棒加热了之后，将升温的速度调节为8 ℃/min，再利用机械泵来抽取真空。在反应室的中间有两段恒温区（高温区和低温区）。制备ZnO微米棒时，先直接将原料(高温区)和衬底(低温区)放在一个石英管里快速推入管式炉内，然后使加热炉的温度上升到设定温度。用特定比例的氮/氧混合载气或氩/氧混合载气把含锌蒸气吹到下游衬底所在的位置，使其在衬底上生长形成微米棒。
2.2 样品表征平台
本文主要研究ZnO微米棒的制备及其光学性质，而现代材料学的发展除了依赖于材料的性能之外，还依赖于其他成分结构关系，所以对该复合材料进行精细的结构表征也是本文的重要组成部分。ZnO材料易形成各式各样的结构，因此我们要对制备出来的ZnO微米棒进行形貌和结构的表征，光学性质以及透射的测量也可以让我们对材料有更深入的了解，随后在此基础上制备器件。本文采用扫描电子显微镜（SEM）对ZnO微米棒进行表征。
扫描电子显微镜是一种电子光学仪器。它制样简单，放大倍率可调范围广，而且图像分辨率高，广泛运用于生物学、医学以及冶金学等领域。扫描电子显微镜主要包括真空系统、电子束系统和成像系统。其中电子光学系统是透射电镜的核心,由电子枪、电子透镜系统和信号收集系统组成。它的工作原理是：高压电子枪发射一串电子束，先经过栅极聚焦，再经过由几个电磁透镜组成的光学系统，最后汇聚成一束光打在样品上。高能电子束与样品表面的物质发生了相互作用，之后经过相应的电子探测器收集，最终可以得到样品表面的微观组织结构和形貌特征等信息。扫描电子显微镜作为研究材料最常用的仪器设备，具备多种多样的功能，包括了以下几点：固体材料断口的表面形貌特征，材料的物相分析、成分分析等。扫描电子显微镜可以用来观察纳米材料表面的形貌特征以及尺寸大小，也可以分析纳米材料的元素组成。扫描电子显微镜在形貌观察方面，不同于透射电子显微镜的地方就在于扫描电子显微镜观察的一般是样品的总体形貌，同时扫描电子显微镜所具备的能量散射谱可以测定样品整体的元素分布。
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