氧化锌是一种很有前途的候选人为开发高效紫外线光电子设备操作在室温下由于其宽的带隙和大激子结合能。最近的研究进展在微/纳米氧化锌的制备微米大小的发展创造了机遇或纳米光电设备。取得了光抽运激光器从各种氧化锌微/纳米结构,如薄膜( 1),粉末( 2],超小型电子管[ 3),纳米/微丝( 4- - - - - - 6,纳米带 7],nanonails [ 8),微球( 9,纳米/ microdisks [ 10, 11)用单光子吸收的氧化锌作为有源增益介质和光学谐振腔。另一方面,多光子激光诱导也表现出迷人的利益由于高空间分辨率和大泵光的穿透深度。350纳米泵浦光,氧化锌的单光子吸收系数达到10⁵厘米⁻¹,对应的穿透深度只有100海里( 12]。因此,泵的能量主要是吸收附近的晶体表面,这限制了主要材料的可用性。相反,氧化锌样品可以完全投入在多光子激发形成可见光或红外线由于高传播。

目前,多光子诱导激光在氧化锌微/纳米结构引起了研究兴趣由于大型非线性极化系数。双光子和three-photon诱导激光已报告在氧化锌微针( 13],nanodisk [ 14],nanonail [ 15]。然而,报告的模式结构变化与泵强度并没有被发现。在这封信中,three-photon诱导获得紫外激光器在氧化锌microrod 1200纳米红外激光的激发下,和泵上的依赖模式结构强度将详细讨论。

氧化锌microrods是由一个简单的气相传输法类似于我们的以前的工作 16]。高纯氧化锌和石墨粉的混合物为结束的two-end-open石英管(直径2厘米,长24厘米)作为源材料,和一个硅晶片被旁边的衬底材料。后来,石英管放入水平管式炉。源材料成立的反应温度为1130°C和反应时间是30分钟。

飞秒脉冲激光的波长1200纳米光学参量振荡器(详细)(重复频率1000赫兹,脉冲持续时间150 fs)被集中到一个 ~100年 μ米直径光斑在氧化锌microrod两侧。由光纤耦合输出的光谱记录光学多道分析仪(OMA)在室温下。

氧化锌的XRD模式microrods图所示 1(一)。所有衍射峰图匹配的晶面指数六角纤锌矿结构氧化锌晶格常数的 一个 = 0.325 纳米和 c = 0.521 nm。狭窄的衍射峰意味着高结晶质量的氧化锌产品。图 1 (b)展品的SEM图像选择microrod激光调查,有一个 ~19 μ米对角直径。

图 2(一个)显示了在不同泵浦功率发射光谱。较低的泵浦功率63兆瓦的电力,光谱表现出典型的自发发射带集中在392海里。当泵浦功率达到80兆瓦,一些狭窄的峰值出现在从391纳米到398纳米的紫外线波段,这表明一个激光过程发生在氧化锌microrod。94兆瓦的泵浦功率下,发射峰很窄,也更高峰出现在长波长边缘。显然,紫外激光同时包含激子发射和电子空穴等离子体(有效马力)排放 17)以上激励强度低。与泵浦功率进一步增加到116 mW,激子激光几乎消失殆尽,只有有效马力排放存在于激光模式。当泵浦功率达到154兆瓦,没有明显的激光模式可以观察到。然而,当泵浦功率增加到186兆瓦,激光模式再次出现,随着泵浦功率的增加,有更多的模式在长波长边。有人指出激光模式间距明显改变泵浦功率的增加。较低的激励水平,例如,94兆瓦,虽然模式间距略随波长、模式间隔平均只有1.1纳米。然而,在更高的泵浦功率217兆瓦的电力,模式的平均间距达到约1.66纳米。在我们的实验中,激发波长为1200 nm,激光波长约为400纳米。可以认为,激光是由three-photon吸收。图 2 (b)显示了曲线的排放强度与泵浦功率的多维数据集。从图中,可以观察到两个截然不同的激光作用区,一个显示低阈值和较大的斜坡,而其他显示高阈值和小坡。上面的讨论表明激光机制与泵的强度变化。

众所周知,激光在氧化锌晶体可能归因于三种类型( 2, 4, 5]:(a)随机激光,(b) .激光和(c)回音廊模式(WGM)激光。提出随机腔模型解释无序氧化锌的激光介质,由局部归因于复发性散射光子。.介绍了谐振腔模型来解释在单线激光模式/棒状微/纳米结构,两个光滑的结束方面作为腔镜。为 c 设在对称六边形的氧化锌纳米结构,如微/纳米盘和microrods,激光机制也可以造成回音廊腔,光波的传播循环由于多个全内反射造成的六个方面。的三个机制,随机腔和.腔不能提供一个高水平的光限制由于强烈的散射和大传播,导致相对较低质量的因素。另一方面,WGM基于全内反射的激光具有独特的属性,包括低损耗、窄线宽、高质量的因素。

很明显,随机激光不能在氧化锌microrod生成。假设激光源于.腔由两端microrod的方面,忽视折射率与波长的变化,激光模式可以计算间距根据以下方程: (1) Δ λ = λ 2 2 n l 。 在这里 λ , n 波长和折射率相应模式,然后呢 l microrod的长度。在我们的实验中,microrod在毫米级顺序和长度 n 395纳米中心波长约为2.2;因此它可以估计模式间隔约为0.04 nm,远低于实验值,所以激光不能也源自.腔形成的两个方面。由于相对折射率较高的氧化锌为紫外线空气,microrod的六个面还可以构建积极的反馈腔,其中包括( 1 ).腔的光反射在两个相反的面孔和(之间来回 2 )WGM谐振腔的光由六个方面充分体现顺序的microrod 60°入射角。为了进一步解释积极的反馈机制,WG的激光腔的模式间距和.腔计算在下一节中,分别。

WGM激光,TE的共振条件(电场垂直于对称轴microrod)和TM模式(电场平行于对称轴microrod)可以由菲涅耳公式推导( 13),表示如下: (2) n l = λ N + 6 π t 一个 n - - - - - - 1 β 4 n 2 - - - - - - 3 。 在( 2), N 模式是订单号, l 光循环的路径长度 β 因素取决于激光偏振, β = n TE极化和 β = 1 / n 为TM偏振。.腔激光器,根据驻波条件下,模式方程可以推导出如下: (3) N λ 2 = n l , 在哪里 l 是两个两端的距离。

双折射晶体,折射率的纤锌矿结构氧化锌取决于极化。对于TE和TM极化,折射率可以表示,分别如下( 18]: (4) n T E = 1.916 + 1.145 × 1 0 - - - - - - 2 h ν 2 + 1.6507 × 1 0 - - - - - - 3 h ν 4 , n T 米 = 1.9384 + 1.1775 × 1 0 - - - - - - 2 h ν 2 + 1.5237 × 1 0 - - - - - - 3 h ν 4 。 的单位 h ν 是电动汽车( 4)。

模式订单号码和对应的波长的TE和TM模式WGM谐振腔和.腔可以计算( 2)和( 4)或( 3)和( 4)。据Nobis等人报道( 18, 19),在针状的或棒状氧化锌纳米结构,TM模式是WGM激光器的主要内容。所以应该TM模式在实验中观察到的模式,如果激光源自WG腔。在我们的例子中, l 是48 μ对WG腔,TM模式的变化与波长可以计算出订单号,如图 3。.腔, l = 16 μm,它可以推断的位置n阶TM模式几乎是一样的 ( N - - - - - - 1 ) th TE模式。因此,图 3只显示订单号TM模式变化与波长.腔。模式的平均间距约为1.1 nm WGM谐振腔为1.7 nm .腔从图 3。因此,可以得出结论:激光应该源自WG腔泵在低强度和.腔泵在高强度。

基于上述讨论,解释关于激光机制与泵提出了强度变化。众所周知,这是一个非常敏感的多光子吸收强度。在three-photon情况下,吸收系数与泵的立方体强度成正比。图 4显示了多光子吸收的区域变化与泵microrod强度,在地区之间的红色和蓝色的六角获得WG腔区域。在低泵级别,只有附近的薄层介质的microrod可以获得足够的激励强度产生高效的多光子吸收由于泵浦光与入射深度衰减。薄层定位获得地区WG腔( 一个 ~ 4 μ米深度附近的microrod在我们的例子中)。因为WG腔的损失远小于.腔,激光将优先生成从WG腔较低的激励强度,这就解释了为什么WGM激光出现在低泵80 mW和94 mW。由于多光子吸收效率更高的深度增加泵浦功率(例如,116兆瓦),多光子吸收不仅可以发生在该地区附近还在中心地区。因此,多光子吸收的发光中心地区将耗尽WGM反演人口获得地区放大自发辐射(ASE),并领导WGM激光削弱。进一步提高泵浦功率,日月光半导体激光淬火WGM,观察到154兆瓦泵功率。然而,当再次激发强度增加到某一阈值,可以生成.激光器由两个对立面,因为有效马力激光增益正比于有效马力密度和莫特密度之间的区别,尽管.腔损失高于WG腔。.激光的原因可以观察到更高的泵功率186 mW和217 mW。当然,激光模式间隔将大于WGM的激光,因为相对于WG腔腔长度缩短。指出,激子发射和有效马力发射激光模式较低的泵强度共存。共存的激子的激光有效马力激光之前已经报道过在氧化锌薄膜 20.),这是由于航空公司在样本的空间分布不均匀性。在我们的例子中,两者的共存激光可以归因于不同的载体密度之间的中心和边缘的泵光斑沿长度方向microrod(如图 5),因为泵浦光接近高斯光束。较低的激励水平,有可能是运营商有效马力形式存在于中心地区和激子形成泵的边缘点附近由于密度差,这将导致有效马力激光和激子的激光器在不同的地区。随着励磁强度增加,有效马力地区向外传播。所以,激子的排放会削弱和有效马力排放增加,导致整个光谱的红移。

在单光子激发条件下,氧化锌激光通常源于.腔纳米/ microrod[年底两方面 1, 4),或由六方(WGM谐振腔 5, 18]。很难形成.激光的两个对立面。这是由于一个事实,即激发光穿透深度相对较小(约100海里的近紫外激发光)和激动的载体通常位于WGM nano的激光增益区域/ microrod大直径( ≥ 激光波长)。因此,激光从WG腔由于优先生成更小的损失相对于.腔。当杆的直径小于发射波长,散射损耗非常高和WGM激光通常不能生成。在这种情况下,如果杆长度较大,.腔的两端方面仍然可以产生足够的收益。所以,激光可以由两方面。

在结论中,氧化锌microrods与六边形截面是气相传输过程,制造的,和一个个人microrod来构造一个共振腔。1200纳米的纳秒脉冲激光器的激发下,three-photon兴奋紫外激光。结果表明,激光共振机制随泵强度。较低的激发强度、激子发射和有效马力发射激光模式共存,和激光起源于WGM谐振腔由氧化锌microrod的六个面。在更高的激励强度,从有效马力发射激光主要是生成的,提供的激光积极反馈.蛀牙由两个相反的方面。