量子点光子晶体光纤光谱与激光特性的基础研究

论文摘要

量子点和光子晶体光纤是目前处于国际研究前沿的两种人造材料,前者体现了对电子能带的控制作用,而后者则体现了对光子能带的控制作用。本文旨在将量子点与光子晶体光纤结合,以便实现同时控制电子和光子,为研制新颖、高效新型光源和激光器等光子器件的实现提供新的可能。本文从课题的目标出发,从材料制备入手研究制备稀土掺杂量子点、过渡金属掺杂量子点、非掺杂量子点、核/壳结构量子点等多种量子点材料,探索实现在一定条件下通过调节颗粒尺寸和掺杂成份来实现对量子点自发辐射进行调控的方法。并在此基础上,进行量子点组装到光子晶体光纤的实验和理论研究,以量子点组装光子晶体光纤作为增益介质,对量子点组装光子晶体光纤激光器理论和实验模拟。主要研究内容和成果包括:1、首次利用微波辅助合成方法在水性介质中制备了多种稀土掺杂量子点,包括制备了在通讯波段自发辐射的ZnS:Er量子点,ZnS:Er,Yb量子点,PbS:Er量子点,并对其光发射性能进行研究。2、应用微波辅助合成方法,利用水溶性前驱体材料在水性介质中制备了ZnS:Cu量子点,通过选择成分含量可以对量子点的自发辐射进行调控。并通过共掺杂Al离子提高了ZnS:Cu量子点的光发射性能。3、应用微波辅助合成方法,制备出ZnS:Pb和ZnS:Pb/ZnS量子点,ZnS:Pb量子点在410nm至650nm波长处有一个宽谱白光自发辐射,调节ZnS:Pb量子点颗粒尺寸,随着[S2-]/[Zn2+]的值增加,ZnS:Pb量子点的发射光谱明显红移,因此认为由于量子效应的影响导致发射光谱红移,同样的原因,ZnS:Pb/ZnS核/壳结构量子点在410nm至650nm波长处有一个宽谱白光自发辐射。相比ZnS:Pb量子点,自发辐射大幅度增强,但ZnS:Pb/ZnS核/壳结构量子点出现红移,实现了利用量子效应通过选择颗粒尺寸对量子点的自发辐射进行调控;制备出ZnS:Er/ZnS量子点,得到ZnS:Er/ZnS量子点在1550nm波长处增强的宽谱自发辐射。4、在水性介质中制备了非支撑的PbS量子点,并对PMMA聚合物矩阵中PbS量子点的红外光谱性质进行了研究。得到PbS量子点从波长900nm到1500nm波长的宽谱发射,发射峰位于1179nm波长。随着聚合物矩阵中PbS量子点浓度的增加发射强度增加。5、实现了光子晶体光纤中选择性长距离组装量子点,并发现微区范围内量子点具有良好的附着性能。首次利用平面波展开方法和有限元方法对量子点组装光子晶体光纤进行数值模拟,研究量子点组装后光子晶体光纤中光子带隙的变化,发现在量子点层折射率变化时,光纤传导受到光子空气纤芯模式引导和高折射率表面模式引导两种模式的影响,并发现两个低损耗区域。利用超连续光源对量子点组装光子晶体光纤的导波性能进行研究。发现几种具有相似结构的光子晶体光纤在1560nm波长附近可以透过,且结构均匀性好、对称性高与理论结构相似的样品,其结构与理论模拟结果吻合较好。6、利用量子点组装光子晶体光纤作为增益介质,构建线形结构谐振腔的激光器模型,得到在980nm波长泵浦条件下,泵浦光子密度、上下能级粒子密度,发射光子密度速率方程和光传播方程,分析了量子点组装光子晶体光纤激光器的光输出性能。此外,发现ZnS:Er/ZnS量子点组装光子晶体光纤产生激射。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 量子点——高性能的发光材料
• 1.1.1 量子点概述
• 1.1.2 量子点的性质
• 1.1.3 量子点的分类
• 1.1.4 量子点的制备方法
• 1.1.5 量子点的表面修饰
• 1.1.6 量子点的应用
• 1.1.6.1 量子点在生物医学上的应用
• 1.1.6.2 量子点在光电子器件的应用
• 1.2 光子晶体光纤
• 1.2.1 光子晶体概述
• 1.2.2 光子晶体光纤概述
• 1.2.3 光子晶体光纤理论分析
• 1.2.4 光子晶体光纤的特性
• 1.3 选题意义，研究内容及创新点
• 1.3.1 选题意义
• 1.3.2 研究内容及创新点
• 第二章 稀土掺杂量子点的制备及光谱特性研究
• 2.0 引言
• 2.1 ER 掺杂ZNS 量子点的制备及其光谱特性研究
• 2.1.1 制备与表征
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.2 ER, YB 共掺杂ZNS 量子点的制备及其光谱特性研究
• 2.2.1 制备与表征
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.3 ER 掺杂PBS 量子点的制备及其光谱特性研究
• 2.4 EU 掺杂ZNS 量子点的制备及其光谱特性研究
• 2.5 本章总结
• 第三章 过渡金属掺杂量子点的制备及发光性能研究
• 3.1 ZNS:CU 和ZNS:CU,AL 量子点的制备与表征
• 3.1.1 ZnS:Cu 量子点的制备
• 3.1.2 ZnS:Cu,Al 量子点的制备
• 3.2 ZNS:CU 和ZNS:CU,AL 量子点的表征结果与讨论
• 3.2.1 ZnS:Cu 和ZnS:Cu,Al 量子点的结构性质
• 3.2.2 ZnS:Cu 和ZnS:Cu,Al 量子点的结构性质
• 3.3 本章总结
• 第四章 核壳结构量子点的制备及发光性能研究
• 4.1 ZNS:MN/ZNS 量子点的制备与发光性能研究
• 4.1.1 ZnS:Mn 和ZnS:Mn/ZnS 量子点的制备与表征
• 4.1.2 结果与讨论
• 4.2 ZNS:PB/ZNS 量子点的制备与发光性能研究
• 4.2.1 ZnS:Pb 和ZnS:Pb/ZnS 量子点的制备与表征
• 4.2.2 结果与讨论
• 4.3 ZNS:ER/ZNS 量子点的制备与发光性能研究
• 4.3.1 ZnS:Er/ZnS 量子点的制备与表征
• 4.3.2 结果与分析
• 4.4 ZNS:EU/ZNS 量子点的制备与发光性能研究
• 4.4.1 ZnS:Eu/ZnS 量子点的制备与表征
• 4.4.2 结果与分析
• 4.5 本章总结
• 第五章 聚合物矩阵中量子点的自发辐射研究
• 5.1 实验与表征
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 本章总结
• 第六章 量子点组装光子晶体光纤研究
• 6.1 量子点组装光子晶体光纤实验研究
• 6.1.1 短距离全组装量子点光纤
• 6.1.2 长距离全组装量子点光子晶体光纤
• 6.1.3 选择性长距离量子点组装光子带隙光纤
• 6.1.4 微区范围内量子点的附着性能研究
• 6.2 量子点组装光子晶体理论研究与数值分析
• 6.2.1 量子点组装光子晶体光纤的结构与设计
• 6.2.2 量子点组装光子晶体光纤的数值模拟
• 6.3 量子点组装光子晶体光纤导波特性研究
• 6.4 本章总结
• 第七章 量子点组装光子晶体光纤光子器件研究
• 7.1 量子点组装光子晶体光纤激光器研究
• 7.1.1 模拟实验装置
• 7.1.2 理论模型
• 7.1.3 理论模型的数值分析结果
• 7.2 量子点组装光子晶体光纤光子器件实验研究
• 7.2.1 测试实验装置
• 7.2.2 测试结果与讨论
• 7.3 本章总结
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果