论文部分内容阅读
本论文根据垂直腔面发射激光器(VCSEL)的器件特点和应用需求，通过集成金属纳米结构，实现表面等离子体调制的改性VCSEL。在深入研究金属纳米结构光学特性的基础上，重点研究了通过金属纳米结构的相位调制实现对空间模式的调制；基于金属亚波长条形光栅，我们实现了表面等离子体调制的稳定线偏振VCSEL；通过集成金属亚波长环形光栅和径向分布空气隙，我们分别实现了高集成度的径向偏振和角向偏振VCSEL；同时在径向偏振激光束的基础上，通过结构优化设计我们进一步研究了具有自聚焦特性的径向偏振VCSEL。本文主要内容和成果归纳如下： 1.从麦克斯韦方程(Maxwell’sequation)出发，求解了金属/介质界面处的表面等离子体色散关系，同时讨论了金属/介质/金属双界面模型激发的偶基模的色散关系。介绍了常用的数值模拟时域有限差分算法(FDTD)基础以及影响数值计算稳定性的因素。 2.从金属亚波长结构激发的表面等离子特性研究出发，引入时域有限差分方法(FDTD)和严格耦合波方法(RCWA)深入讨论了金属亚波长光栅激发的表面等离子体模式：光栅周期性结构激发的表面等离子体模式和空气隙激发的表面等离子体模式。并详细研究了模式特性以及各参数对模式特性的影响。在数值求解的基础上，采用解析方法补充讨论了模式特性。 3.在充分了解表面等离子体模式的基础上，我们研究了基于金属纳米结构的相位调制。进一步将金属纳米结构相位调制应用于空间模式调制，通过空间模式的模式损耗差异，有效调制模式竞争。 4.采用FDTD和RCWA算法研究了金属纳米光栅透射的偏振抑制特性。在理论研究的基础上，开展了表面等离子体调制的线偏振垂直腔面发射激光器的实验研究。根据金属纳米结构制备的特点，我们优化了传统的制备工艺流程，通过实验研究确定了湿法氧化工艺和会属纳米结构加工条件。制备了表面等离子体调制线偏振垂直腔面发射激光器，输出功率超过0.5mw，对应的正交偏振方向输出比为6:1。 5.基于圆柱矢量光束当前的研究进展和应用需求，通过集成环形金属光栅，我们实现了高集成度的径向偏振垂直腔面发射激光器。进一步，通过集成径向分布的纳米空气隙结构，我们获得了结构紧凑的角向偏振垂直腔面发射激光器。在高集成度圆柱矢量激光束的基础上，我们开展了矢量光束调控的研究。基于环形金属光栅，我们研究了同轴金属圆环对光束的聚焦和扩散效应。为了获得亚波长自聚焦光斑的径向偏振激光束，我们成功制备了金属同轴圆环。通过金属同轴圆环结构设计，成功实现了具有亚波长自聚焦特点的径向偏振垂直腔面发射激光器。