存檔編號(hào)贛南師范學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文ZnO納米柱無序介質(zhì)中泵浦面積對(duì)局域模發(fā)射的影響教學(xué)學(xué)院物理與電子信息學(xué)院屆別2011專業(yè)物理學(xué)學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)教師完成日期2011.5目錄內(nèi)容摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Keyword11FDTD法的基本原理21.1Maxwell方程及其FDTD形式21.2FDTD的穩(wěn)定性件51.3PML吸收邊界條件61.4激勵(lì)源的設(shè)置72ZnO納米柱無序介質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型和增益模型73數(shù)值模擬83.1頻譜特性和光場(chǎng)分布93.2泵浦面積對(duì)局域模激發(fā)特性的影響104結(jié)論與討論14參考文獻(xiàn)16致謝171ZnO納米柱無序介質(zhì)中泵浦面積對(duì)局域模發(fā)射的影響摘要：基于ZnO納米柱制備及發(fā)光實(shí)驗(yàn)，本文建立ZnO納米柱的位置和大小都是無序的二維介質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，研究了無序介質(zhì)中頻譜特性和局域模的光場(chǎng)分布情況。除此之外，還分了以下幾種情況研究泵浦面積對(duì)局域模激發(fā)特性的影響：改變泵浦功率從左到右依次增加兩層ZnO納米柱泵浦和單獨(dú)泵浦一個(gè)局域區(qū)域；泵浦功率一定時(shí)，增加泵浦局域區(qū)域和非局域區(qū)域中ZnO納米柱個(gè)數(shù)。得到當(dāng)泵浦功率較小時(shí)，無論泵浦面積多大都不能激發(fā)局域模；不同的泵浦功率，局域模被激發(fā)所需的臨界泵浦面積不同。隨著泵浦功率增加，光場(chǎng)相對(duì)強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)，泵浦面積不同時(shí)，被激發(fā)的局域模也不同。而泵浦非局域區(qū)域，光場(chǎng)分布沒什么變化的結(jié)論。關(guān)鍵詞：無序介質(zhì)局域模泵浦面積受激輻射Abstract:BasedonthegrowthandphotoluminescenceexperimentofZnOnanorods,thestructuralmodeloftwo-dimensionalrandommediainwhichthecenterandradiusofZnOnanorodsarealldisorderedisconstructed,UsingZnOgainphenomenologicalmodel,thespectrumcharacteristicsandspatialdistributionofopticalfieldatsomeresonantpeakinZnOnanorodsrandommediaaresimulatednumericallybymeansofthefinitedifferencetimedomainmethod,thelocalizedmodeisfound.TheeffectofpumpareaonlaseractionsinZnOnanorodsrandommediawasstudiedfromfollowingaspects,changethepumpintensity,increasingthepumpsizeeverytwocolumnsfromlefttorightandonlypumpazoneoflocalizedmode.Thepumpintensityisfixed,increasingtheexcitationarea(thenumberoftheZnOnanorods)inlocalizedareaandnon-localarearespectively.TheresultgivesussomeinformationaboutthedependenceofrandomlaseractionsonpumpareainZnOnanorodsactiverandommedia.Keywords:randommedialocalizedmodepumpsizesstimulatedemission21968年Letokhov首次計(jì)算了增益介質(zhì)中無序光放大和光散射現(xiàn)象1。ZnO是理想的強(qiáng)散射和高增益的材料，并有很大的能隙，室溫下帶隙寬度為3.37ev和激子束縛能高達(dá)60mev，使得高溫下激光器低閾值的實(shí)用前景成為可能2。ZnO無序介質(zhì)的發(fā)光特性引起了人們的廣泛關(guān)注，H.CaO等人先后制備出粉末、薄膜、團(tuán)簇、納米柱多種形態(tài)ZnO材料，并在其上觀察到了激光輻射現(xiàn)象3-7。高密度ZnO納米柱陣列中，如果相應(yīng)增益長(zhǎng)度和散射平均自由程滿足形成激光的要求則能形成無序激光，在ZnO納米柱陣列中觀察到了相干反饋無序激光行為,研究已發(fā)現(xiàn)ZnO納米柱陣列中閾值泵浦強(qiáng)度與泵浦體積有關(guān)6、8。2003年，H.Cao工作組利用了等離子增強(qiáng)蒸汽沉積的方法，在實(shí)驗(yàn)室中成功制備出了直徑在20-75nm范圍內(nèi)的ZnO納米柱7，并測(cè)試了其光學(xué)特性，但對(duì)ZnO納米柱的發(fā)光特性的影響尚未見詳細(xì)報(bào)道。本文將在H.Cao工作組開展的ZnO納米柱制備及發(fā)光實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用時(shí)域有限差分法9進(jìn)一步探討ZnO納米柱中泵浦面積對(duì)局域模激發(fā)特性的影響。1FDTD法的基本原理FDTD（FiniteDifferenceTimeDomain)方法是直接對(duì)于Maxwell方程組求解，并且除了在時(shí)間和空間上的數(shù)值離散處理以外，沒有采用任何物理上的近似，這表明了FDTD方法在理論上是一個(gè)非常精確的方法.迄今為止,FDTD法作為最為基本的模擬方法被研究工作大量地使用。主要的原因是FDTD無任何理論近似，研究范疇不受結(jié)構(gòu)和材料的限制,并隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力大幅提升，促進(jìn)了利用FDTD的相關(guān)研究。1.1Maxwell方程及其FDTD形式3在二維的情況下，假設(shè)所有的物理量均與z坐標(biāo)無關(guān)，于是電磁波可以分成兩種模式：TE波和TM波。其中TE波中只含有EX,EY和HZ分量，而TM波中只含有HX,HY和EZ分量，于是兩種模式的Maxwell方程組分別可以寫為：zmzxyyyzxxzHtHyExEEtExHEtEyHTE波(1.1.1)zzxyymyzxmxzEtHyHxHHtExEHtHyETM波(1.1.2)二維Yee元胞中E、H各分量節(jié)點(diǎn)取樣如圖1所示，對(duì)于TE波，HX=HY=EZ=0,方程(1.1.1)可以離散成如下形式1121212,12,12,1212,12nnxaxnnzzbEijCmEijHijHijCmy(1.1.3)11212,12,1212,1212,12nnyaynnzzbEijCmEijHijHijCmx(1.1.4)121212,1212,121,12,1212,112,zaznnyybnnxxHijDmHijEijEijDmxEijEijy(1.1.5)4圖1二維TE和TM波Yee元胞電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量，其中左TE波右TM波對(duì)于TM波，EX=EY=HZ離散為如下形式1212,1,12,12nnzznnxaxbEijEijHijDmHijDmy(1.1.6)12121,12,12,nnzznnyaybEijEijHijDmHijDmx(1.1.7)12121121212,12,12,12nnyynnzazbnnxxHijHijEijCmEijCmxHijHijy(1.1.8)m的取值與左端場(chǎng)分量節(jié)點(diǎn)的空間位置相同。其中122122amtmmmtCmmmmttm51122btmCmmmmttm122122mmammmtmmmtDmmmmttm1122bmmtmDmmmmttm(1.1.9)1.2FDTD的穩(wěn)定性條件由于FDTD方法特點(diǎn)是用一組有限差分方程來代替Maxwell旋度方程，因此差分方程組的解必須是收斂的和穩(wěn)定的。即當(dāng)離散間隔趨于零時(shí)，在空間任意一點(diǎn)和任意時(shí)刻這些差分方程的解都會(huì)一致趨于它原方程的解，并且它們的數(shù)值解與原方程的嚴(yán)格解之差是有界的。因此在離散過程中時(shí)間間