量子点激光器

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由图左可见,当掺杂粒子浓度达到Ns=3×1022m-3左右时,输出功率趋于 饱和,因此,掺杂浓度可以采用低于Ns的区域。由右图可见,最佳光纤长度 随掺杂浓度的升高而减小,在饱和区,两者呈现反比关系,即NL∝Cs,其中 Cs为饱和常量。由于掺杂浓度在光纤较短区变化比较灵敏,因此可根据实际 需要,利用N与L的反比关系同时选取合适的掺杂浓度和光纤长度来得到最 大的激光功率。
6、吸收/辐射截面计算
可由经验公式估算量子点的核直径D和第一吸收峰处的摩尔消光系数ε为 :
第一吸收峰波长处的截面:
根据吸收截面的,用McCumber公式可以算出发射截面:
因此可以得到速率方程所需的4个截面σa,P、σe,P、σa,L、σe,L
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五、量子点光纤激光器的优化
1、激光输出功率计算
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5、速率方程的建立
速率方程在二能级系统中,稳态时的粒子数方程和光功率传播方程为:
式中N2为上能级粒子数密度,N为总粒子数密度,P(z)为位置z处 的功率,α为光纤背景损耗系数,下角标P、L和0分别表示抽运光、激 光和自发辐射,上角标±表示沿光纤z正(+)反(-)方向传播,
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结论
对于CdSe/ZnS量子点掺杂的光纤激光器(QDFL)。通过数值求解Q
DFL的粒子数速率方程和光功率传播方程,得到了光纤中的光功率分布。应用
遗传算法,以激光输出功率为目标函数,根据谐振腔的边界 (端面)条件,经过 优 化 计 算,得 到 了QDFL的最佳的掺杂浓度、光纤长度、出射镜反射率和抽
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2、量子点的吸收 量子点的吸收光谱与其本身的结构特点有关,量子点对 光的吸收明显比体材料强,表现为量子点材料对光的不透射、 不反射。
如PbSe量子点,其直径为5.5nm, 以2.5mg.mL-1的浓度溶于正己烷 (C6H14)有机溶剂中,形成量子 点溶胶。,PbSe量子点在近红外 波段具有很好的吸收能力。在波 数6000~10000cm-1的区间里,吸 收曲线非常光滑,除了在波数 8334cm-1处有一个非常强的吸收 主峰外,无任何杂峰。在短波长 区,有一连续的强吸收谱存在。
由于CdSe的上能级寿命很短,因此,能否产生受激辐射或受激辐射的条 件会不会过于苛刻,是首先需要研究的问题。
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(2)、受激辐射阈值 量子点的光学增益取决于其辐射与无辐射之间的竞争。无辐射损失主 要来自于多粒子俄歇弛豫(Auger Relaxation)以及表面捕获。对 于有外包覆层的CdSe/ZnS量子点,表面捕获效应已被极大消除,无 辐射损失主要是俄歇弛豫。只有当受激辐射过程快于无辐射弛豫时, 能级的受激辐射才会产生。 俄歇弛豫时间: 受激辐射特征时间:
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2、空心光纤灌装法制备量子光纤
将量子点制成量子点胶体(例如某些可以掺入液态硅胶),采用一 定的工艺解决掺杂均匀、量子点团聚和胶体固化速度等问题。而后 采用实验室的空心灌装方法 。如图:
左边第一个是
抽真空法;右
边两个是注射 法。
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四、量子点光纤激光器原理
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QDFL的出射镜FBG2对 抽运光是全透的。若在出射 端增加一个FBG3(对λP
全反,对λL全透),使抽运
光返回继续工作,则可提高 抽运光的利用效率。 给出了对抽运光返回情形的模拟结果,其中虚线表示单向抽运时的正向 激光功率。由图可见,这种情形下的激光功率更大。计算表明,当抽运 光重叠因子较大时(例如ΓP=0.2),返回抽运光对输出功率的贡献几乎 可以忽略;但当ΓP很小时(例如ΓP=0.01),抽运光的返回就显得比较 重要了。
量子点光纤激光器综述
本文以PbSe和CdSe/ZnS量子点为例,简要 说明量子点及量子点光纤的概念和原理,仅 供参考。(CdSe/ZnS光纤激光器)
目 录
1 量子点简介 2 量子点的光学特性 3 量子点光纤的制备 4 量子点光纤激光器原理 5 量子点光纤激光器的优化
一、量子点简介
1、量子点概念 量子点的三个维度的尺寸都在几十个纳米以下,电子和 空穴在三个维度上都被约束,从而引起一系列特殊的量子效 应,三个维度的尺寸缩小到一个电子波长以下时,电子只能 在“零维”方向上运动,成了“准零维”的量子点 。
阈值条件:
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4、能级与激励阈值
量子点具有单峰辐射的特点,在短波 长抽运光的作用下,量子点吸收能量 后被激发到能级2和3(图虚线所示
过程)。能级2的粒子通过受激辐射
和自发辐射直接跃迁回基态。
由于奇偶选择定则,能级3的粒子不能直接通过辐射跃迁回基态,而是以几 率A32无辐射跃迁到能级2,再经辐射跃迁回基态。能级3到2的跃迁几率 非常大,属于带内跃迁,因此,能级3的粒子将很快跃迁到能级2 量子点的三能级系统可用二能级近似来描述
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3、温度影响
由图可见,当纤芯温 度升高时,最大输出 功率有所下降,但下 降的幅度很小(小于 5%),因此温度的 升高对QDFL的运 行影响很小,可以忽 略。
CdSe/ZnS量子点的Varshni系数(的值较小,由热膨胀导 致的带隙移动远小于体材料,因此该量子点具有较好的热稳定性, 使得QDFL在运行过程中可避免受到“热击穿”。
1、量子点光纤激光器结构
激光器的基本结构如图所示,其中QDF为量子点光纤,FBG为光纤布拉 格光栅,LD为激光二极管,OSA为光谱仪。抽运光由短波长LD产生, 导入QDF使其中的量子点处于激发态,形成粒子数反转。在FBG构成的 谐振腔中实现激射振荡,当增益足够大时,可产生激光。激光波长λL由F BG的反射波长决定,其中FBG1对λL全反 (反射率为R1),FBG 2对λL部分反射(反射率为R2),两者对抽运光波长λP均为全透。激光 从FBG2输出到OSA或功率计
稳态时,光纤边界(端面)条件为:
联立速率方程可求解激光功率功率:
选上述N、L、R2、λP为待优化的参数,将上式改为:
采用遗传算法对上式进行优化:以待优化参数为基因组成染色体(染色体数量 取为800),根据目标函数值的大小对各染色体进行评价,通过选择、交叉、 变异等运算操作,可以找到一组最佳参数值,使Pout达到最大
谢谢
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运光波长。结果表明,激光输出功率与掺杂浓度和光纤长度的乘积有关,当掺杂
粒子浓度达到或超过3×1022m-3时,输出功率趋于饱和。纤芯温度的变化对输 出功率的影响很小,QDFL的热稳定性较好。与传统的掺钕光纤激光器相比, 本文提出的QDFL掺杂的饱和浓度较低,光纤的饱和长度较短,抽运效率更高。
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2、CdSe量子点的特性
图为测得的核直径D= 4.9nm的CdSe/ ZnS量子点的吸收和发 射光谱。
由图可见,该量子点的第一吸收峰位于576nm(473nm处 的峰为抽运光),在短波长区有连续的吸收,且吸收截面随波长的 减小而增大因此,可以在短波长区任选一个抽运波长。
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即使掺杂浓度达到了产生受激辐射的阈值,但如果抽运阈值功率太大, 则效率很低,也失去了实际器件研制的必要。因此,有必要对抽运阈值功率 进行估算。实验观测到CdSe/ZnS量子点具有单峰辐射的特点(图 1),即辐射只在两个能级之间进行。
在二能级系统中,抽运阈值功率为:
式中σ为截面,ν为频率,Γ为描述光功率在光纤截面上与增益介质间重 叠程度的重叠因子,τ为上能级寿命,A为纤芯面积,h为普朗克常数, 下角标a表示吸收(absorption),e为辐射(emission),P为抽 运(pumping),L为激光(laser)。
本文选抽运波长为4
73nm。辐射峰位于5 97nm,斯托克斯(S tokes)频移为21 nm。
图为测得的CdSe/ZnS量子 点 光 纤 在 不 同 掺 杂 浓 度 下 的 光 致 荧 光(PL)增益随光纤长度的变化,其单程光纤增益 可达约3~4dB。
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3、CdSe量子点的受激辐射阈值
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一、量子点简介
2、量子点效应 (1)、量子尺寸效应:尺寸小于波尔半径,载流子受小空 间限制,费米能级附近电子由连续变为分立。 4 E F
3 N
(2)、表面效应:表面积比大,表面原子活性很高。 (3)、量子限域效应:极易形成激子,产生激子吸收带。 (4)、宏观量子隧道效应:电子的平均自由程与限域空间 尺度相当,载流子输运过程的波动性增强 (5)、库伦阻塞效应:电子进入量子点,增加的静电能就会 远大于电子的热动能,这个静电能会阻止随后的电子进入量 子点 。
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2、抽运效率
将输出激光功率Pout
与入射抽运光功率PP 的比值定义为抽运效率 η,在不同的PP值下对 N、L、R2、λP进行 优化,结果如图:
当抽运功率较小时(接近阈值),抽运效率随抽运功率的增大迅速升 高。当抽运功率继续增大时(例如到达或超过2W),抽运效率升高 可达80%,并趋于饱和。激光输出功率随抽运功率线性增大,其斜率 接近0.8。当抽运功率很大时(例如超过5W),纤芯中的功率密度会 很大,从而可能会热击穿。
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二、量子点的光学特性
1、量子点的结构
结构可分为三类:核结构、核/壳结构、核/壳/壳结构 。对于核结构,典型 的种类是 CdSe、CdS、PbSe、PbS等 。 对于核/壳结构,典型的 核/壳结构有 CdSe/ZnS、 CdTe/CdS 等。核/壳结 构是在量子点核的外面 包覆上一层或几层包覆 层,但外面的包覆层几 乎不影响内核的发光
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3、量子点的辐射
量子点受光激发产生 的空穴-电子对(即
激子)复合的途径主
要有以下三种方式:
1)、电子和空穴直接复合,产生激子态发光 2)、通过表面缺陷态间接复合发光,这种模式的发光比较弱 3)、通过杂质能级复合发光,光强比较强 量子点的发光包括光致发光和电致发光两种
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三、量子点光纤的制备
1、熔融法制备量子光纤 以PbSe量子点为例, 利用熔融法在钠硼铝硅酸盐玻璃 (SiO2-B2O3-Al2O3-ZnO-AlF3-Na2O)中成功地合成了 PbSe量子点晶体。 当热处理温度大于等于550℃时,该硅酸盐玻璃中的Pb2+ 和Se2离子发生明显扩散,其玻璃中析出PbSe晶体。通 过热处理条件(如热处理温度、热处理时间)可控制玻璃 中PbSe量子点尺寸大小,随着热处理温度的升高,PbSe 量子点尺寸增加,量子点密度变小,其吸收峰值波长和 PL荧光峰值波长向长波方向移动。
(1)、 CdSe量子点的能带图 图为CdSe/ZnS量子点的能 带图,其中Ec为导带平均能,E v为价带平均能,ΔEg为通过实 验确定的当温度在27 ℃ ~10 0 ℃变化时的带隙移动。
量子点的荧光辐射主要来自核CdSe,带隙约为1.7eV,尺寸依赖
的辐射波长覆盖了整个可见区,外壳ZnS对辐射没有影响。
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