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近年来,纳米材料因其独特的物理化学性质而得到了广泛的关注和深入的研究,特别是纳米材料的发光问题研究已成为了纳米材料研究领域的重要前沿课题,利用纳米材料的特殊光学性质制成的光学材料在日常生活和高科技领域内有着广阔的实用价值和应用前景。本论文基于本人参加导师的国家自然科学基金项目“无序介质激光机理的相关研究”及“弱光下的非线性效应”的工作基础,研究了ZnO纳米粉末及量子点等纳米材料发光中的几个问题。本论文主要内容包括:
概述了纳米材料的基本性质和光学特性以及纳米材料的研究进展。
从ZnO纳米粉末激光实验现象出发,将激光泵浦下的ZnO纳米粉末介质相互作用系统作为一个整体,并建立相应的物理模型,用传输矩阵法模拟了该激光的局域模谱与不同方向入射时的本征模谱,结果表明该激光不仅与ZnO纳米粉末被泵浦的功率、面积有关,而且与方向有关。在ZnO纳米粉末激光输出特性模拟结果与实验相吻合的基础上,为了对该激光的局域模进行控制,提出将ZnO纳米粉末薄层插入到规律介质的构想,并据此设计一种简单结构的激光器模型对其激光输出特性进行了模拟计算,结果显示该设计具有在众多局域模中的选择特定局域模的作用,因而可为紫外激光器的研制开发提供借鉴。
对低维纳米材料中的单个量子点发光现象进行理论研究,运用数值模拟方法计算了微腔中单模光场与一个三能级量子点相互作用系统中的一些光学特性。结果显示该单量子点激光器的泵浦阈值较小,激光能较快地达到稳定输出,当量子点和腔模耦合强度增强时,其泵浦阈值更小,激光达到稳定输出的速度更快,并且激光的净受激辐射率随泵浦强度的增加而呈现较快趋于饱和曲线,此曲线的变化规律与能级间衰减率和量子点及腔模耦合强度的变化有关。量子点激光的一个新的研究热点是单光子激光的输出,单原子的单光子激光输出已是国际上研究热点,本人所在的研究工作组在原子与光场的非线性相互作用系统的研究中,运用量子干涉效应,可以使目标场达到单光子量级。由于单量子点这种“人工大原子”具有更大的耦合系数且更易于控制,因此有可能将原子与场的相互作用系统中的量子干涉效应的研究扩展深入到量子点与场的非线性作用系统中来,以实现单量子点的单光子输出。、作为研究单量子点与光场相互作用的非经典特性的一个前期准备工作,研究了一个准人型四能级原子与两光场相互作用系统的非经典特性,而且发现了一些有趣的物理现象,这为量子点与光场相互作用系统中的目标场降低到单光子量级提供了一个可行性方案。