纳米激光器结构的设计与优化研究开题报告

1. 研究目的与意义

自上世纪 60 年代第一台红宝石激光器诞生以来，关于激光器的研究就一直吸引着世界各地的科研工作者。半导体激光器的出现，使得激光器的应用拓展到广阔的空间，目前，紫外半导体激光器广泛应用于生物医疗、信息存储、光电子学等领域，但随着纳米光学和纳米光电子学这两个新兴学科的发展，纳米激光器这一新的概念便成了人们研究的热点。

从 20 世纪 90 年代起，纳米科技迅速发展，对材料、信息、军事等领域均产生了较为深远的影响。基于氧化锌、金、氮化镓、硫化镉等材料的纳米激光器的相关研究引起了广大科学家的广泛关注，通过引入纳米结构阵列，已经可使微型化纳米线激光器达到甚至超过衍射极限。为了进一步突破限制纳米激光器尺寸的衍射极限，近年来基于表面等离子体(surface plasmons，简记为 sps)技术的微纳结构不断兴起，并在突破衍射极限和局域场增强效应等方面显示出其优越特性，很多课题组更取得重大进展。其中最具代表性的例子——加州大学伯克利分校的张翔小组设计制作了世界上第一台纳米线等离子体激光器。纳米等离子体激光器利用纳米线结构实现高增益工作物质和谐振腔的集成，表面等离子体可突破光学衍射极限，因此纳米等离子体激光器具有体积小，单色性、方向性好，工作效率高，能量阈值低和响应时间短的优点。

基于表面等离子体耦合半导体纳米激光器发光原理，本文提出了一种集合了半导体纳米激光器和等离子体激光器双重优点的结构，并首先对氧化锌纳米等离子体激光器进行仿真计算，得到一些理论上的结果；建立了新型纳米等离子体激光器模型及计算仿真等的新方法，为激光器微型化提供理论及实验依据。

2. 研究内容和预期目标

本文的研究内容主要包括：

首先进行各类纳米激光器和等离子体结构的调研和理论研究，研究各个材料的优缺点，比较不同材料的折射率等特性，选择最优的组合，决定各部位结构的材料，根据等离子纳米激光器不同结构的优缺点选择合适的架构用于本次课题设计。

其次基于zno半导体纳米线结合等离子体结构设计纳米激光器，以此为基础再以gan和al₂o₃作为基底，选择sio₂作为介质层，最后加上金作为镀层，完成激光器结构的基本设计。

3. 研究的方法与步骤

本课题采用的研究方法：控制变量法。

1.首先查阅资料，调查半导体纳米激光各个基本结构，决定合适的结构作为本此设计 的基础，然后了解各个半导体材料以折射率为主的各方面特性，在反复比较结构和材料的组合后，最终选用zno纳米线做为纳米激光器的谐振腔，选择 gan和al₂o₃做为基底，在zno上加上介电层sio2和金。至此完成了半导体激光器的基本设计

4. 参考文献

1. 刘友亮.阵列化纳米等离子体激光器关键技术研究[d].电子科技大学:2015.

2. 王亚娟.基于混合表面等离子体波导的紫外纳米激光器的特性研究[d].燕京大学:2017.

3. 孙文钊.三维光场限制表面等离子体激元纳米激光器的设计[d].哈尔滨工业大学:2016.

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   5. 计划与进度安排

   序号	起止日期	工作内容
   1	2019年2月15日-2019年2月28日	对课题《纳米激光器的研究与优化》进行调研
   2	2019年3月1日-2019年3月15日	查阅与纳米激光器和等离子体相关的文献资料
   3	2019年3月16日-2019年3月30日	课题的设计与仿真
   4	2022年4月1日-2022年4月30日	撰写及修改论文
   5	2022年5月1日-2022年6月初	答辩

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