ZnO回音壁微腔中激子极化激元的能态调控研究

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作为一种半光半物质的准粒子,激子极化激元因其独特的物理性质和广泛的应用前景而倍受关注。由于光子成分的存在,激子极化激元的有效质量极小,仅为自由电子质量的10–5倍。正是因为如此小的有效质量,激子极化激元可以在较为宽松的实验条件下表现出许多在其它体系难以观察到的量子效应,如室温玻色-爱因斯坦凝聚、超流、涡旋等。此外,极小的有效质量使激子极化激元拥有非常大的德布罗意波相对较长(达到微米量级)。这一特性使得激子极化激元的能态调控工作变得更为简单、方便。比如,只需要构造一个微米尺度的势阱就可以实现激子极化激元的量子限域效应。近十年来,随着人们对激子极化激元基础物性的掌握,基于激子极化激元效应的各种光电器件原型不断见诸报道,如,激子极化激元超晶格、激子极化激元路由器、激子极化激元发光二极管和激子极化激元晶体管等。激子极化激元的研究正呈现一片繁荣的态势。然而,要将基于激子极化激元效应的各类光电器件推向实用化,对激子极化激元能态的有效调控是关键的一环。在这方面研究中,现有的绝大部分报道都是在砷化镓体系以及极低温的实验条件下完成的。对于可在室温条件下稳定工作的宽带隙半导体材料体系,相关研究尚处于起步阶段,所取得的成果尚非常稀少。在这样的背景下,本文以宽带隙半导体材料Zn O为载体,对一维回音壁微腔中激子极化激元的能态调控及相关动力学过程开展系统研究。主要研究内容包含以下三个部分:(1)全光调控激子极化激元动态超晶格的实现。得益于其独特的半光半物质特性,激子极化激元可通过库伦场与其它载流子产生相互作用。基于此,由非共振光源激发的激子库可事实上充当激子极化激元的动态势垒。依据这一物理原理,我们利用双光束干涉的方法产生了光强在空间上周期性分布的泵浦光斑。并通过自由光路将该光场投射到一维Zn O回音壁微腔上。由此在微腔内部产生激子极化激元的周期性分布势场。激子寿命有限(通常在数百皮秒量级),使得激子库产生的周期性势场是动态的。此外,由于激发光斑的空间分布周期可以通过光路参数实时调整,我们可以通过这种方法实现对激子极化激元色散关系的实时有效调控。(2)法布里-珀罗微腔调制下激子极化激元的激射行为研究。由化学气相沉积法生长的Zn O微米棒有着非常光滑且平整的表面。其正六边形截面可形成天然的回音壁光学谐振腔,该谐振腔中光子态与激子态通过强耦合效应形成激子极化激元。另一方面,该类Zn O微米棒长度方向的两个光滑端面可形成天然的法布里-珀罗微腔,这一微腔对激子极化激元的激射行为具有显著影响。在这部分工作中,我们基于自主设计的显微角度分辨共焦显微光谱系统,构建了适用于半导体微纳结构中激射行为研究的显微杨氏双缝干涉系统。通过对激子极化激元凝聚前后的双缝干涉图样进行分析,我们直接导出了法布里-珀罗微腔中激子极化激元的模式对称性。在此基础上,通过对激发功率依赖光谱的研究,我们观测到了在法布里-珀罗微腔调制下,激子极化激元激射的模式竞争行为。理论上,我们引入五能级速率方程模型,对这一模式竞争行为进行了很好的模拟。(3)波长可调、超低阈值激子极化激元单模激射研究。激子极化激元的凝聚伴随着玻色子的受激散射过程。由于这一过程对激子以及激子极化激元的浓度均有很强的依赖关系,我们可通过控制激子极化激元波函数和激子库之间的空间匹配度来实现对激子极化激元激射行为的操控。实验上,我们基于这一思想实现了激子极化激元在室温条件下的极低阈值激射效应。此外,通过引入不对称势阱来调控激子极化激元的能态,我们成功实现了激子极化激元在基态的单模激射。这些成果为基于激子极化激元的高性能光学器件提供了很好的设计思路。
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