随机生长型氧化锌纳米线的受激辐射和激射

随机生长型氧化锌纳米线的受激辐射和激射

我们报道了室温下紫外受激辐射和以高质量的氧化锌纳米线为泵浦的激光器。由于粒子散射而产生的辐射显示出典型的受激辐射的特性。在高强度泵浦的作用下，能看到与随机激光有关的几个尖峰。激光发射的机理是随机生长型纳米线之间的相干多散射。腔长的特性是由激光光谱的傅里叶变换决定的。

1.引言

一维半导体因为其基本的物理特性和广泛的用在纳米电子和纳米光子器件中而成为重要的基础单元。氧化锌纳米线因为表现出大的离子结合能（60meV），宽禁带（3.37eV）和低的紫外激光阈值而尤为重要。最近在激光方面的发展或者受激辐射已经在多种低维的氧化锌装置如微腔、纳米线、纳米棒和纳米带中实现。对于大直径比如氧化锌微腔，回音壁模式产生的激光机理（WGMs）。由于全内反射使光线聚集在微纳米线周围。当氧化锌微纳米线的直径小于光纤波长时，WGMs会因为衍射而产生很大的散射损耗。F-P腔用来分析个别单一纳米结构和长须中的激光模式，两个纳米线作为F-P腔的端面。

然而在随机导向的纳米线混乱系统中，在这些混乱的纳米线中，光子相干期间会存在多重衍射。与传统的激光器不同，在多晶氧化锌薄膜的介质和粉末中的随机激光辐射是相干散射产生的，并不包括任何F-P腔的信息。随机激光的一个重要因素是存在高增益介质和样本高效率散射来提供有效地相干反馈。因为氧化锌微纳米线的高增益特性，随机激光分布在高密度垂直定向氧化锌纳米棒阵列。由于多重散射形成的不同共振空洞会产生不同的激光方向。在本文中，我们研究受激辐射和随机生长型氧化锌纳米线的激光和讨论他们的机理。通过对激光光谱的傅里叶变换，我们得到随机激光腔特定回路的长度。

2.实验步骤

在一个简单的蒸汽，气液固转换的方法生长的形成合成的氧化锌纳米线。详细的生长步骤在别的文献中介绍。对于连续波光致发光的检测，我们应用He-Cd 激光器作为激励源；对于脉冲泵浦，我们使用三次谐波的Nd:YVO4激光器其脉冲宽度为500 ps，重复率为1 kHz。通常激励是针对激光束的，集中在样本表面上的各种不同的光衰减器。采样点的大小为100 mm。自发和受激辐射由纤维束采集，由一个1200线/nm的光栅耦合到一个0.32cm的单色仪上然后由CCD或PMT测量。所有的实验都是在室温下进行的。

3.结果与讨论

电子显微镜提供生长产品的一般形态。如图1(a)所示：典型的扫描电子显微

，直径在60nm 镜清楚地显示随机生长性的氧化锌纳米线的长度超过模板3m

到200nm。图1(b)显示的是纳米线直径为120nm时的图形。选定区域的单一的纳米线的图形如图1(c)所示，显示了完全的衍射图。这就指出氧化锌纳米线为单晶，能够根据生长方向被检索成六边形的氧化锌衍射方向。

图1

图2(a)显示出在随机泵浦强度下的氧化锌纳米线的辐射谱。为了作为参考cw-PL在图2(a)下方画出。在低的泵浦强度下，只有峰值为3.26 eV半带宽幅值高度为110 meV自发辐射光用于产生光子辐射。随着泵浦强度的增加，在低光能的的一端出现了一个狭窄的辐射光。通过对宽的辐射谱和尖峰的分解，我们看出宽带辐射光的强度与泵浦强度呈现线性关系如图2(b)的封闭曲线所示；然而在峰值为3.22 eV处表现出超线性关系。如图2（c）所示尖峰的FWHM只有20 meV。这个结果表现出明显的受激辐射。自发辐射的过程以无弹性的光子辐射的形式表示，一个光子被衍射成极化状态而导致发光，其他的光子分布在激发态有大量的

粒子，或处于游离状态。

图2

当泵浦强度在样本的某一位置超过特定的阈值，如图3（a）所示，我们看到在3.20 到 3.25 eV出现很多尖峰。得到由于带隙重整而使得PL的峰值随着外界激励的增加而产生红移。

在氧化锌纳米线中存在两个可能的光纤谐振模。其中一个是由纳米线组成的两个F-P腔端面的自然腔长模，这个模式可以很好的解释氧化锌纳米线和Gan 纳米线的激光特性。另一个激光机理产生于随机介质的相干散射。与现在已经报

道的氧化锌纳米线激光器相比我们的样本显示出一种特性不明显的F-P模。间距

纵向模可由下面等式计算得出。

nl 22

λλ=∆

L 为激光器的腔长，n 为折射率，λ为谐振波长。一个长度为3m μ的氧化锌纳米线，最近的两个纵向模的间距为10nm 。在整个被测的PL 范围内，只存在一个F-P 模，由于平均的单一的F-P 模的辐射谱有不同的长度产生宽的激光谱线。然而我们并没有观察到很多尖峰在高的泵浦强度下。因此我们在随机介质的相干散射中有其他的激光特性。

图3

为了证明最初的激光特性的辐射峰值，在随机激光器中辐射区一系列模式的影响。图4（a ）略高于激射的不同的辐射谱。在一个小的辐射区域510*9.7-cm 2，没有观察到尖峰。随着辐射区域的增加，出现了几个尖峰。此外剑锋的数目随着辐射区域的增加而增加。根据最新的关于随机激光器的介绍，如果闭环路径很短不能提供足够的放大的话，激光震荡不会产生。结果清楚地指出了随机激光器特性的辐射形状。随机生长的氧化锌纳米线的相干光子散射的概率大于定向生长的氧化锌纳米线。我们发现定向生长在石英玻璃的氧化锌纳米线泵浦没有明显的尖峰。随机激光器只能生长在高密度垂直排列的或者混乱的氧化锌纳米线上。

图4

为了进一步计算闭环随机激光器的腔长，应用激光谱的傅里叶变换是一种简单有效的方法。长度计算的傅里叶变换的单元假设是激光谱的波数。对于传统的

F-P腔激光器，激光谱的傅里叶变换的分离的谐波为π

nL.我们假设相干光子的闭环路径近似为环形。那么光路2L可以用周长得到，则傅里叶变换的谐波为2

nD 的倍数，D为环路直径。

μ处出现一图3（b）为图3（a）激光谱的傅里叶变换曲线。我们看到在20m

μ出现了几个谐振峰。实际上宽峰包含了很多单独的个宽峰，在56、112、168m

峰他们属于辐射面积内的几个短激光腔。随机激光器的基本谐振的直径为

μ，因为光通过两次谐振回路的而产生二次谐波，等等。计算的环路的直径46m

比样本的泵浦激光器的斑点小得多。

4.总结

总之我们计算了随意生长型氧化锌纳米线在光泵浦下的受激辐射。在阈值下，受激辐射与泵浦的强度呈现超线性的关系。在阈值以上几个得到几个尖峰其FWHM为2meV。随机激光器需要足够长的闭环环路以使光子通过相干反馈得到放大。如果环路减小到一定值以下，激光机停止了。混乱生长的氧化锌纳米线比定向生长的氧化锌纳米线容易产生随机激光器相干光子散射的自由路径比后者

短。最后，典型随机激光器的腔长可由激光谱的傅里叶变换精确地得到。