光子晶體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)中紅外發(fā)光研究.pdf

1、中紅外光源在軍用及民用等多個領(lǐng)域具有極其重要的意義。稀土摻雜硫系玻璃是實(shí)現(xiàn)中紅外發(fā)光的有效途徑，但目前發(fā)光很微弱，尋求有效的手段來增強(qiáng)中紅外發(fā)光顯得格外重要。光子晶體是一類折射率周期分布且有許多光學(xué)特性的人造光學(xué)材料，其中光子局域和光學(xué)帶隙是它的兩個最重要特征。光子晶體的光學(xué)特性不僅表現(xiàn)在抑制光的自發(fā)輻射方面，而且還表現(xiàn)在調(diào)制光場的分布、提高光的自發(fā)輻射能力等方面。光子晶體概念的引入可有效地解決物體發(fā)光微弱等問題。本文首先通過熔融淬冷法

2、制作稀土摻雜的硫系玻璃作為實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行折射率、熒光光譜等光學(xué)特性測試，然后采用有限時域差分法（FDTD）來設(shè)計(jì)玻璃樣品的光子晶體結(jié)構(gòu)，通過模擬表征樣品的中紅外發(fā)光強(qiáng)度來得到合適的光子晶體結(jié)構(gòu)。對于光子晶體增強(qiáng)中紅外發(fā)光的特性，本文主要通過以下幾個方面來研究：
　?。?）利用光子晶體微腔陣列的諧振作用來極大地增強(qiáng)物體內(nèi)部的發(fā)光效率，即內(nèi)量子效率的提高。在完整的三角晶格空氣孔光子晶體中制造點(diǎn)缺陷來形成微腔陣列，設(shè)計(jì)微腔陣列的諧振波長等

3、于玻璃樣品的發(fā)光波長使得發(fā)射光在腔內(nèi)產(chǎn)生諧振從而提高物體發(fā)光效率。從另一方面來說光子晶體缺陷的引入能夠有效地提高光子態(tài)密度（DOS），而物體的自發(fā)輻射強(qiáng)弱與 DOS是成正比的，因此合理的引入缺陷能夠有效地增強(qiáng)樣品的發(fā)光效率。在本研究過程中我們采用了 Tm3+離子摻雜72GeS2-18Ga2S3-10CsI（摩爾分?jǐn)?shù)）硫系玻璃作為實(shí)驗(yàn)樣品并通過折射率、熒光光譜等光學(xué)特性測試，模擬采用光子晶體微腔的諧振特性來增強(qiáng)稀土離子的發(fā)光強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)測得

4、 Tm3+離子的熒光波峰為3.73μm，通過設(shè)計(jì)三角晶格空氣孔缺陷微腔陣列使得發(fā)光得到增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)過程中為了使玻璃樣品的發(fā)光得到最大化，我們提出了一種對光子晶體微腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法：對于每一種給定的微腔陣列，我們分別計(jì)算了在不同占空比下的品質(zhì)因子（Q），模體積，以及最后的Purcell放大因子來得到最優(yōu)化的微腔陣列結(jié)構(gòu)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)經(jīng)過光子晶體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的玻璃樣品發(fā)光效率可達(dá)50倍以上。
　　（2）利用光子晶體來增強(qiáng)光的萃取效率。其原理是樣

5、品表面的光子晶體結(jié)構(gòu)能夠減少光在玻璃與空氣界面間發(fā)生的全反射作用，從而提高光的出射效率。研究采用熔融淬冷法制備了1wt％的Er3+摻雜 Ga5Ge20Sb10S65（摩爾百分比）硫系玻璃樣品并進(jìn)行了折射率和熒光光譜等光學(xué)特性測試。實(shí)驗(yàn)測得其折射率為2.25，在800nm泵浦光激勵下測得玻璃樣品發(fā)射光譜波峰在2.74μm附近，對應(yīng)于4I11/2→4I13/2能級躍遷，吸收截至波長位于600nm附近。為了能夠使2.74μm附近波長得到增強(qiáng)，

6、我們首先研究刻蝕深度對萃取效率的影響關(guān)系。然后在某一特定深度和周期下通過優(yōu)化空氣孔半徑 r來獲得最優(yōu)化的光子晶體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中采用的結(jié)構(gòu)為二維三角晶格空氣孔，刻蝕深度分別為600nm、700nm和800nm，采用的玻璃樣品厚度為2μm。研究結(jié)果表明，經(jīng)過光子晶體結(jié)構(gòu)刻蝕后的玻璃樣品相比于未進(jìn)行結(jié)構(gòu)刻蝕的玻璃樣品其熒光萃取效率為1.62倍。此外光子晶體具有調(diào)制光的傳播方向作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明光子晶體玻璃樣品在遠(yuǎn)場分布上體現(xiàn)了很好的方向性。