[发明专利]一种基于半导体量子点自组装的光学谐振腔及其制备方法

说明书

本发明提供一种基于半导体量子点自组装的光学谐振腔及其制备方法，该光学谐振腔是由CdSe量子点自组装而成的球状结构。本发明的光学谐振腔可同时作为谐振腔和增益介质使用，是实现单模激光的理想材料。

技术领域

本发明涉及微/纳米光学谐振腔的制备领域，特别是一种基于半导体量子点自组装的球状光学谐振腔及其制备方法，本发明可以实现特定几何结构并且尺寸可控的高质量光学谐振腔，为发展谐振腔调制单模激光研究提供了一种全新的技术思路。

背景技术

光学谐振腔对光波可在空间和时间上起到局域增强作用以及频率选择，可极大增强光与物质的相互作用，是当前基础光物理和光子学研究的重要载体。其中，微纳谐振腔激光器由于体积小、功耗低，在光电集成、光子计算机、量子信息、集成量子芯片等领域具有广阔的应用前景。但在实际研究过程中，不同于传统的激光器系统，在微纳尺度上对激光进行单一频率模式构建是非常困难的，这对谐振腔的品质和材料增益性能有着极高的要求，尤其是单模激光的实现更是存在很大的挑战。

单模激光，由于可作为光子集成的相干光源，在光通信、信号处理以及传感等领域具有重要的研究价值。目前为止，实现单模激光的方式主要有三种：一是结合单个纳米结构和分布式布拉格反射镜(DBR)，但DBR结构需要激光等离子体刻蚀方式实现，对刻蚀精度要求非常苛刻(Chen L,Towe E.Applied Physics Letters,2006,89(5):053125.)；二是基于两个或多个谐振腔之间耦合的游标效应，该方法依赖微纳机械操纵的方式实现，过程复杂，谐振腔腔体易受破坏(Xiao Y,Meng C,Wang P,et al.Nano Letters,2011,11(3):1122-1126.)；还有就是减小谐振腔的尺寸的方法，但是谐振腔尺寸减小，对光场的限制作用将急剧下降，光损失增大(Gargas D J,Moore M C,Ni A,et al.ACS Nano,2010,4(6):3270-3276.)。因此，开展新型高效谐振腔结构体系的设计和制备技术的创新以实现单模激光对微纳谐振腔激光器研究领域的发展具有重大意义。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出了一种基于半导体量子点自组装的光学谐振腔及其制备方法，为发展谐振腔调制单模激光研究提供一种全新的技术思路。

第一方面，本发明提供一种光学谐振腔，其是由CdSe量子点自组装而成的球状结构。

本发明的光学谐振腔可同时作为谐振腔和增益介质使用，是实现单模激光的理想材料。量子点球状谐振腔可以实现单模激光主要归功于其比较完美的球形结构及量子点材料的高增益特性。多边形谐振腔一般在拐角处存在严重光损失，而球状腔可以在三维结构上实现光场限制进一步降低光损失，因此在所有光学谐振腔中球状结构的谐振腔是最好的。球状光学谐振腔可以对增益介质量子点的目标光进行多次放大，并且能够大大降低光束的模式数，提高光子数密度，使增益介质量子点保持粒子数反转状态产生受激辐射光放大输出激光。相比于通过DBR结构或是谐振腔耦合来产生单模激光的方法，本发明方法不需要高精度微纳加工仪器以及复杂的制备工艺，并且提高了激光输出的稳定性。相对于其他半导体材料，本发明使用的CdSe量子点具有光学特性优异、化学合成简单可控等优点，并且该材料具有较长的光生载流子寿命、长的载流子扩散长度、高荧光量子产率，是一种优异的激光增益介质材料。

较佳地，所述光学谐振腔的尺寸为1～10μm。

较佳地，所述CdSe量子点的尺寸为5～7nm。

第二方面，本发明提供一种光学谐振腔的制备方法，包括以下步骤：

(1)将CdSe量子点分散液调节为酸性或碱性，并搅拌一段时间，得到pH调节诱导聚集的量子点；

(2)将聚集的量子点分离出来，得到光学谐振腔。