【摘 要】
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半导体微纳材料构成的光学微腔由于对光场具有良好的限制作用,在光-物质耦合领域的研究受到了人们的广泛关注。由半导体材料构成的微纳激光器在科研领域和工业领域得到了广泛的研究和应用。II-VI族半导体材料作为典型的宽禁带直接带隙材料,形貌丰富多样,且具有较大的激子束缚能和较高的振子强度值,一直是研究光-物质耦合效应的绝佳载体,硫化镉（CdS）作为其典型的代表材料之一,在可见波段的光电子器件如纳米激光器、
【基金项目】
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国家自然科学基金（Nos. 61674096,61521005）； 山东省自然科学基金（ZR2019PA010）； 中国科学院战略优先研究计划（No. XDB43010200）；
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半导体微纳材料构成的光学微腔由于对光场具有良好的限制作用,在光-物质耦合领域的研究受到了人们的广泛关注。由半导体材料构成的微纳激光器在科研领域和工业领域得到了广泛的研究和应用。II-VI族半导体材料作为典型的宽禁带直接带隙材料,形貌丰富多样,且具有较大的激子束缚能和较高的振子强度值,一直是研究光-物质耦合效应的绝佳载体,硫化镉（CdS）作为其典型的代表材料之一,在可见波段的光电子器件如纳米激光器、光电探测器等方面具有重要的应用价值。论文主要研究了CdS纳米带构成的法布里-珀罗（F-P）微腔中的光-物质耦合特性以及通过构建耦合腔实现了CdS纳米带的单模激射。论文的主要内容如下:1.简述了光学微腔的发展背景,主要对F-P光学微腔及其对光场的调控进行了研究。基于半导体材料中的光-物质耦合作用,对半导体材料中的激子极化激元进行了详细介绍。在激光器的小型化过程中,激光输出的单色性以其模式竞争少、光束质量好、稳定性高成为了重要指标,对半导体微纳激光器中单模激光的实现方法进行了介绍。2.通过气-液-固方法制备了表面平整、厚度均匀的CdS纳米带。为了对CdS纳米带进行表征,自搭建了一套微区荧光/角分辨光谱测试系统,实现了亚微米量级的空间分辨率,并且角分辨光谱测试系统可以通过一次性拍照的方式获得CdS纳米带微腔中模式的色散关系。3.CdS纳米带具有优异的增益介质和带隙调节能力,可以形成光学微腔,在制造功能性纳米激光器方面显示出巨大的潜力。通过利用自制的转移平台,简单地获得了一个可调谐的CdS纳米带耦合腔,实现了由游标效应驱动的高性能单模激光器。通过弹性衬底调整两个耦合纳米带的间隙间距,激光模式可以在单模式和多模式之间可逆切换。通过模拟证明了不同间隙的耦合常数和光损耗,阐明了近场耦合效应主导了激光的模式类型。这项工作为实现模式可调的纳米级激光器提供了一种替代途径,在柔性多功能光电器件中具有潜在应用。4.对单个CdS纳米带F-P腔中的光-物质耦合特性和激射现象进行了研究。通过自搭建角分辨光谱测试系统得到了CdS纳米带中激子极化激元的色散关系,并通过耦合振子模型对微腔模式进行了拟合,得到了CdS纳米带中拉比分裂的值为181 me V。此外通过结合杨氏双缝干涉理论,利用角分辨光谱测试系统对F-P腔中模式的宇称性进行了直接观测,并对激光模式的宇称信息进行了判断,证实了杨氏双缝干涉理论在F-P腔激光器中的适用性,为研究半导体材料中的光-物质耦合作用提供了一种新思路。5.通过机械平台和弹性衬底制备了“U”型弯曲纳米线,可以对应变量进行可逆调控,并且系统地研究了应变调制下的弯曲CdS纳米线的荧光光谱特性和激光模式。考虑到应变诱导的能带变化和纳米线的弯曲形态,推测应变驱动的载流子的再分布是导致红移的关键因素。此外,对弯曲纳米线的光学传输特性进行了模拟。研究表明,应变调制的CdS纳米线将大大提高光电子器件的可调节性,对设计可重构纳米光电子系统具有重要作用。
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