基于连续域束缚态模式的纳米激光研究

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随着技术的进步,光子器件的尺寸越来越小,到目前为止其尺寸最小可以达到纳米量级。其中在对光子器件的研究中,纳米激光器的小型化和集成化得到了不断深入地探索。激光器中的光是以驻波的形式被限制,限制光而不吸收光是激光器的关键问题。传统的激光器使用光学腔来实现激光行为,该激光腔利用反射镜、全内反射或光子晶体周期性结构中的散射来捕获光。对于这些系统,Q因子相对来说较小,且Q因子仅微弱地依赖于腔的几何形状。因此我们需要找到一种高Q因子且可控的激光器。最近几年,连续域束缚态(Bound states in the continuum,简称“BIC”)因为其具有无限高Q因子的无辐射状态引起了各大课题组的研究兴趣。真正的BIC只有在无限系统的理想状态下才能产生,在材料吸收以及结构的限制真正的BIC会转变为准BIC。准BIC具有超高的Q因子和微小辐射,同样得到了广泛的关注。它可以应用到传感器、激光器、滤波器等众多领域,其中我们主要是对基于准BIC模式的激光行为进行研究。基于准BIC模式的纳米激光相比传统激光器有很大的优势,比如低阈值、产生高Q共振的定向激光以及易调谐激光波长等。在本论文中,从理论上主要是对基于准BIC模式的纳米激光器展开研究,主要的研究结果如下:(1)利用高折射率全介电材料对偏心圆环的光谱特性进行研究。通过加入一个不对称参数偏移量d,比较在有无d情况下圆环的光谱特性。由于受对称保护,当d≠0时反射光谱会出现一个非常尖锐的峰。改变结构参数观察光谱特性,并且准确地计算出每个参数结构的Q因子,Q因子最大可以达到9.6×10~4,高Q因子的特性使得偏心圆环非常适合用于激光。用FDTD Solutions软件对偏心圆环的激光行为进行仿真,实现了基于准BIC的纳米激光。得到激光阈值仅有6.46μJ/cm~2并且可以通过控制偏心纳米环的结构参数来调节激光波长和阈值。同时我们还比较不同材料的偏心纳米环的光谱特性和激光行为。(2)我们提出一种全新的纳米结构,对全介电材料的偏心纳米球进行光谱特性和激光行为的研究。与偏心纳米环的研究类似,当d≠0时反射谱线中会出现两个非常尖锐的峰。其中一个共振峰处的电场分布主要分布在内球和外球壳上,另一个峰处的电场只分布纳米球的空腔中。我们主要是对前者做出讨论研究,当不对称参数越小时,Q因子和局域电场值就越大,准BIC就越接近真正的BIC。基于这两个优势,发现其激光阈值比偏心纳米环的阈值要低很多,仅为2.3μJ/cm~2,因此非常适用作为激光器。
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