【摘 要】
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半导体纳米线在超小型激光器中具有重要应用潜力。然而受光学衍射极限的限制,光子模式纳米线激光器尺寸的进一步降低已经遇到瓶颈。表面等离子体激元能够将光场限制在亚波长
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半导体纳米线在超小型激光器中具有重要应用潜力。然而受光学衍射极限的限制,光子模式纳米线激光器尺寸的进一步降低已经遇到瓶颈。表面等离子体激元能够将光场限制在亚波长范围内,进而突破衍射极限。将纳米线与表面等离子体激元结合起来形成表面等离子体纳米线激光器,是实现突破衍射极限的深亚波长激光器的一条可行途径。本论文围绕表面等离子体Ⅲ-Ⅴ族纳米线激光器展开理论研究,取得的主要研究成果如下:(1)采用有限时域差分法,理论研究了表面等离子体GaAs纳米线激光器的阈值增益特性。结果表明.:高阶等离子体模式由于较弱的模式限制能力而具有低损耗传播特性,较基模更容易实现激射。混合等离子体模式通过间隙层存储电磁能量减轻了金属对其传播特性的影响,相比于高阶等离子体模式更容易实现小直径激射。(2)设计并仿真了一种基于AlGaAs/GaAs纳米线径向多量子阱结构的纳米激光器,对比研究了光子激光器和混合等离子体激光器的模场分布和阈值特性。结果表明,光子激光器在直径较大时更容易实现激射;相反,混合等离子体激光器可以突破光学衍射极限从而在小直径范围内实现低阈值激射,阈值增益最小可达788 cm-1,对应直径为130nm。混合等离子体激光器的截止直径为80nm,是光子激光器的一半。此外,混合等离子体激光器具有显著的Purcell效应,自发辐射速率是光子模式激光器的8倍以上。(3)对比研究了基于AlGaAs/GaAs纳米线径向量子阱结构和GaAs/AlGaAs纳米线核壳结构的混合等离子体激光器的阈值特性。结果表明,纳米线径向量子阱结构在较宽的直径范围内表现出明显的低阈值增益和高Purcell因子特性,在较宽的波长范围内的阈值也低于核壳结构纳米线激光器。
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