專利名稱：近場光學階梯型納米孔徑激光器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于近場光學、納米技術領域，特別涉及納米孔徑激光器的設計。
背景技術：
納米尺度光源是近場光學成像、探測、近場光譜儀以及近場光存儲系統(tǒng)等基于近場光學原理的儀器、系統(tǒng)中的關鍵元件之一。近十年來具有納米孔徑的鍍金屬膜光纖探針已被廣泛使用。但是，光纖探針的通光效率很低，通常為10-4～10-6。
近年提出了納米孔徑激光器，它是一種基于近場光學原理設計的具有納米孔徑的半導體固體激光器，是在現有的商用半導體固體激光器的出射表面鍍金屬膜層并在其上開一具有納米尺寸的出射孔徑。這種作為近場光學系統(tǒng)中的有源探針的納米孔徑激光器具有明顯的優(yōu)點，其輸出光功率較具有相同小孔尺寸的鍍金屬膜光纖探針提高104倍，通光效率超過1/1000，從而提高了信噪比和數據傳輸速度。但目前實驗中所采用的納米孔徑通常為方形或圓形，直徑約為50～300nm，輸出功率約為微瓦量級，尚不能滿足實際使用的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服已有納米孔徑激光器技術的輸出功率低，不能滿足實際使用要求的不足，提出一種具有特殊的納米尺度階梯型孔徑的近場光學納米孔徑激光器，提高通光效率，實現高分辨率與高輸出功率的統(tǒng)一。
本發(fā)明提供了一種近場光學階梯型納米孔徑激光器，所述激光器出射表面鍍有能形成納米孔徑的膜層，所述膜層上具有一個納米尺寸的出射孔徑，其特征在于所述納米出射孔徑的尺寸從所述膜層的入射表面向出射表面呈階梯型的逐漸減小，直到在所述膜層的出射表面形成一個亞波長的小孔。
本發(fā)明的納米孔徑的階梯數目為2～10個。
本發(fā)明的膜層的厚度為20～300nm。
本發(fā)明所述的納米孔徑的形狀為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、雙三角形、匚形、工形、半圓環(huán)形或C形中的一種；也可以是方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、雙三角形、匚形、工形、半圓環(huán)形或C形中的兩種及兩種以上形狀相組合形成的階梯型納米孔徑。
本發(fā)明所述激光器是邊發(fā)射型半導體激光器或面發(fā)射型半導體激光器。
本發(fā)明所述膜層的材料是金屬材料，進一步說所述金屬膜層的材料是金、鋁、銀或鉻中的一種。
本發(fā)明所述的階梯型納米孔徑內可以是開放空間，也可以填充各種折射率、尤其是高折射率的介質材料。通過填充高折射率的介質材料，還可以進一步提高通光效率。
本發(fā)明的工作原理是基于近場光學的局域場增強效應。具體表現為所設計的階梯型納米孔徑激光器的通光效率(為全部輸出功率與大于孔徑范圍600nm×600nm方形區(qū)域內的全部入射光功率之比)大于1，這表明一定有孔徑幾何尺寸之外的能量通過了孔徑，增強了輸出功率。這種近場光學局域場增強效應的產生主要在于當光束傳播至近場距離時，受到金屬膜上納米孔徑的強烈作用，其光強分布有所改變，在孔徑區(qū)域大大增強；當光束進入孔徑后更是受到金屬孔徑邊緣、孔壁的強烈增強作用，尤其是與入射光偏振方向相垂直的邊緣、孔壁的作用最為突出；當光束從孔徑出射時同樣受到邊界條件突變的作用而表現為倏逝場的增強并隨距離增加而迅速衰減。這種增強效應被強烈地約束在近場范圍內。這個激勵增強的過程表明在近場范圍內入射光束與納米孔徑會發(fā)生很強的相互作用，無論是入射前還是出射后。這種作用通常表現為相互作用，即孔徑對光的分布發(fā)生影響，局域場中產生增強效應；同時光束的能量對孔徑的金屬膜層產生激勵形成表面等離子振蕩，反過來進一步增強了局域場。另外，階梯型納米孔徑對光具有不斷地增強、收集作用。上述的場增強效應受金屬膜層的光學特性及厚度、孔徑的幾何形狀及尺寸、金屬膜表面等離子效應、入射光偏振方向等因素的影響。其中，貢獻最大的歸結為偏振增強效應和共振增強效應。偏振增強效應與邊界條件密切相關，實際上是一種邊界效應。其表現為不同的偏振模式將會影響近場光斑的分布及通光效率，通光效率的提高強烈地依賴于與入射光偏振方向垂直的孔徑尺寸。共振增強效應包括表面等離子增強效應及孔徑散射場的干涉加強效應，與孔徑的幾何形狀及孔徑尺寸密切相關。
本發(fā)明的階梯型納米孔徑激光器在制作工藝上可采取兩種方式，其一是當階梯型小孔內為開放空間時，可以先將附著在襯底上的金屬膜逐步加工出階梯型的孔徑，再將其與納米孔徑激光器出射端面結合在一起，最后除去附著金屬膜的襯底層；其二是當階梯型小孔內填充其它介質材料時，可在半導體激光器的出射端面先蒸鍍該介質材料，再采用離子束刻蝕等方法將該介質材料制作成階梯孔的形狀，最后再蒸鍍金屬膜到與介質孔相平。
本發(fā)明所述納米孔徑激光器的通光效率與輸出光強極大值在具有相同近場光斑尺寸的情況下，較普通的非階梯型的具有相同形狀的納米孔徑激光器提高了10～104倍，所得到的通光效率大于1。
本發(fā)明所述的納米孔徑激光器可以作為納米近場光學有源探針用于納米尺度近場光學成像、光譜探測、數據存儲、光刻、光學操作等?；诩晒鈱W技術，采用納米孔徑激光器可以制成新型近場光學存儲讀寫頭或近場光學顯微鏡的有源光學探針。


圖1為一般納米孔徑激光器的結構示意圖。
圖2為無限大金屬屏上的小孔的計算模型示意圖。
圖3為本發(fā)明的實施例一具有方形的階梯型納米孔徑的截面示意圖。
圖4為本發(fā)明的實施例一具有方形的階梯型納米孔徑的剖視示意圖。
圖5a為本實施例一的激光器出射光沿x方向電場分量的光強分布示意圖。
圖5b為本實施例一的激光器出射光沿y方向電場分量的光強分布示意圖。
圖5c為本實施例一的激光器出射光沿z方向電場分量的光強分布示意圖。
圖5d為本實施例一的激光器出射光總場的光強分布示意圖。
圖6為本發(fā)明的實施例二具有三角形的階梯型納米孔徑的截面示意圖。
圖7為本發(fā)明的實施例二具有三角形的階梯型納米孔徑的剖視示意圖。
圖8a為本實施例二的激光器出射光沿x方向電場分量的光強分布示意圖。
圖8b為本實施例二的激光器出射光沿y方向電場分量的光強分布示意圖。
圖8c為本實施例二的激光器出射光沿z方向電場分量的光強分布示意圖。
圖8d為本實施例二的激光器出射光總場的光強分布示意圖。
圖9為本發(fā)明的實施例三具有尖對尖的雙三角形的階梯型納米孔徑的截面示意圖。
圖10a為本實施例三的激光器出射光沿x方向電場分量的光強分布示意圖。
圖10b為本實施例三的激光器出射光沿y方向電場分量的光強分布示意圖。
圖10c為本實施例三的激光器出射光沿z方向電場分量的光強分布示意圖。
圖10d為本實施例三的激光器出射光總場的光強分布示意圖。
具體實施例方式
結合本發(fā)明的三個實施例和附圖詳細描述如下圖1為一般納米孔徑激光器的結構示意圖。納米孔徑激光器是在現有的商用半導體固體激光器(包括邊發(fā)射與面發(fā)射型)的基礎上制作而成的。一般納米孔徑激光器包括p型半導體材料層1，激活區(qū)2，n型半導體材料層3，用做電極的金屬條4，具有絕緣及相位匹配的雙重作用的介質材料層5。在該半導體固體激光器的光出射表面上鍍有金屬膜7，在激活區(qū)2對應的金屬膜7表面內開一個納米尺寸小孔6，納米尺寸小孔的制作可采用聚焦離子束(FIB)刻蝕、化學刻蝕、光刻等方法加工。
對于納米孔徑激光器的近場光場分布，可采用圖2所示的無限大金屬屏上的小孔的計算模型，利用時域有限差分方法進行仿真計算。計算中假設激光器諧振腔中振蕩的光束呈現平行光8特性，只有部分光束能夠透過激光器的光輸出端面上的金屬膜微孔10。選用金作為金屬膜層9的材料，選用光的真空波長為633nm的無限大均勻偏振平面波沿小孔的軸向入射，入射面為xoz平面。電場的各分量分別為Ey＝Ez＝0，Ex＝1V/m，即入射光為TM模，只有沿x方向的分量。因此，入射光強是均勻的，為1，可與后面各實施例的計算結果相比較。將所計算的三維空間劃分為Nx×Ny×Nz個網格單元陣列，每個單元在坐標軸上的長度分別為Δx、Δy、Δz。取Δx＝Δy＝Δz＝5nm，計算空間為Nx＝Ny＝200、Nz＝80。
本發(fā)明的各實施例均采用金作為膜層材料。
本發(fā)明的實施例一為方形階梯型孔納米孔徑激光器，其孔徑截面圖及幾何尺寸如圖3、圖4所示。光出射表面上的金屬膜層11上有一方形階梯型孔徑16，孔徑內為開放空間。激光器工作波長為633nm時，按優(yōu)化設計，方形階梯孔的幾何尺寸描述如下，其孔徑分為四個階梯，每階梯上方孔15、14、13、12的邊長從金屬膜層的入射表面向出射表面逐漸減小，分別為D4＝400nm、D3＝300nm、D2＝200nm、D1＝70nm，它們的中心重合，每階梯上金屬膜的厚度均為20nm。采用圖2所示的計算模型，利用時域有限差分方法進行仿真計算，可獲得在距離孔徑膜層表面35nm的平面上方形階梯孔納米孔徑激光器輸出光場的各個方向電場分量的分布分別如圖5a、圖5b、圖5c、圖5d所示。圖5a、圖5b、圖5c、圖5d分別為x、y、z方向分量|Ex|2、|Ey|2、|Ez|2以及總場|Et|2的分布。從這幾幅圖可以很明顯的看出在近場區(qū)域內方形階梯孔納米孔徑激光器的光場分布呈現出下述特征(1)|Ey|2遠小于|Et|2，主要分布在出射端面上方形孔徑的四個角上；呈現出對稱的四光斑分布。(2)|Ez|2分量導致了總電場在測量平面內出現邊緣增強的場分布特性。|Ez|2分量產生于方形孔徑上與x方向，即入射光偏振方向垂直的邊沿，在橫截面內|Ez|2形成兩個獨立的對稱于y軸的光斑，在孔徑邊緣表現出很明顯的場增強效應，其大小比x方向的分量稍小一些。(3)在總場|Et|2中，孔徑范圍內的分布以|Ex|2為主，但|Ez|2也會對總場分布形狀產生較大的影響。從z＝35nm平面內的分布可看出，此時總場的分布為一橢圓光斑，由于受z向增強的影響，不僅總強度有所提高，而且總場的分布與|Ex|2的分布相比，在x方向稍寬一些。得到方形孔階梯型納米孔徑激光器在距離孔徑膜層表面35nm的平面上光斑的x、y方向上光強半高寬分別為147nm、84nm，距出射面5nm平面上光強極大值為213.16，通光效率為1.3431?？梢钥闯觯叫坞A梯孔的光強極大值得到了極大的增強，同時通光效率提高了很多，在具有相同近場光斑尺寸的情況下，較普通的非階梯型方形孔或圓孔納米孔徑激光器提高了兩個數量級。方形階梯孔的通光效率大于1，這表明透過小孔的全部光功率超出小孔物理面積內的全部入射光功率，說明小孔物理邊界以外區(qū)域的光能量也能透過小孔，產生了局域場增強效應。另外，在計算中發(fā)現，若增加階梯數目，出射光強將有進一步的提高，但通光效率將有所降低，所以在實用中應根據具體需要優(yōu)化孔徑設計。
實施例二為三角形階梯孔納米孔徑激光器，其孔徑截面圖如圖6、圖7所示。光出射表面上的金屬膜層17上有一三角形階梯孔22，孔徑內為開放空間。激光器工作波長為633nm時，按優(yōu)化設計，三角形階梯孔的幾何尺寸描述如下，其孔徑分為四個階梯，每階梯上三角孔21、20、19、18的底邊長從金屬膜層的入射表面向出射表面逐漸減小，分別為400nm、300nm、200nm、70nm，其等腰三角形的頂角均為53度，它們的中心重合。每階梯上金屬膜的厚度均為20nm。采用圖2所示的計算模型，利用時域有限差分方法進行仿真計算，可獲得在距離孔徑膜層表面35nm的平面上三角形階梯孔納米孔徑激光器光場的各個方向電場分量的分布分別如圖8a、圖8b、圖8c、圖8d所示。圖8a、圖8b、圖8c、圖8d分別為x、y、z方向分量|Ex|2、|Ey|2、|Ez|2以及總場|Et|2的分布。從這幾幅圖可以很明顯的看出在近場區(qū)域內三角形階梯孔納米孔徑激光器的分布呈現出下述特征(1)|Ey|2遠小于|Et|2，主要分布在三角形孔徑的頂角處；呈現出對稱于y軸的四光斑分布。(2)|Ez|2分量導致了總電場在測量平面內出現邊緣增強的場分布特性。|Ez|2分量產生于三角形孔徑上與x方向，即入射光偏振方向垂直(近似)的邊沿，在橫截面內|Ez|2形成兩個獨立的對稱于y軸的光斑，在孔徑邊緣表現出很明顯的場增強效應，其大小比x方向的分量稍小一些。(3)在總場|Et|2中，孔徑范圍內的分布以|Ex|2為主，但|Ez|2也會對總場分布形狀產生較大的影響。從z＝35nm平面內的分布可看出，此時總場的分布為一類橢圓光斑，由于受z向增強的影響，不僅總強度有所提高，而且總場的分布與|Ex|2的分布相比，在x方向稍寬一些。得到三角形階梯孔納米孔徑激光器在距離孔徑膜層表面35nm的平面上光斑的x、y方向上光強半高寬，分別為97nm、74nm，距出射面5nm平面上光強極大值為1049.76；通光效率為1.6700。可以看出，三角形階梯孔的光強極大值得到了極大的增強，同時通光效率提高了很多，與方形階梯孔一樣在具有相同近場光斑尺寸的情況下較普通的非階梯型方形孔或圓孔納米孔徑激光器提高了102～104倍，同樣也較普通的非階梯型的三角孔納米孔徑激光器有很大的提高，而光斑尺寸變化不大。三角形階梯孔的通光效率大于1，這表明透過小孔的全部光功率超出小孔物理面積內的全部入射光功率，說明小孔物理邊界以外區(qū)域的光能量也能透過小孔，產生了局域場增強效應。
實施例三為尖對尖的雙三角形階梯孔納米孔徑激光器，其孔徑截面圖如圖9所示。其中，光出射表面上的金屬膜層23上有二階梯的尖對尖雙三角形階梯孔，孔徑內為開放空間。激光器工作波長為633nm時，按優(yōu)化設計，三角形階梯孔的幾何尺寸描述如下，其孔徑分為兩個階梯，每階梯上三角孔27、26、25、24的底邊長從金屬膜層的入射表面向出射表面逐漸減小，分別為200nm、200nm、150nm、150nm，其等腰三角形的頂角均為53度。每階梯上金屬膜的厚度均為40nm。采用圖2所示的計算模型，利用時域有限差分方法進行仿真計算，可獲得在距離孔徑膜層表面35nm的平面上這種雙三角形階梯孔納米孔徑激光器光場的各個方向電場分量的分布分別如圖10a、圖10b、圖10c、圖10d所示。圖10a、圖10b、圖10c、圖10d分別為x、y、z方向分量|Ex|2、|Ev|2、|Ez|2以及總場|Et|2的分布。從這幾幅圖可以很明顯的看出在近場區(qū)域內尖對尖雙三角形階梯孔納米孔徑激光器的分布呈現出下述特征(1)|Ey|2遠小于|Et|2，主要分布在尖對尖雙三角形孔徑的頂角處；呈現出對稱的四光斑分布。(2)|Ez|2分量導致了總電場在測量平面內出現邊緣增強的場分布特性。|Ez|2分量產生于雙三角形孔徑上與x方向，即入射光偏振方向垂直(近似)的邊沿，在橫截面內|Ez|2形成兩個獨立的對稱于y軸的光斑，在孔徑邊緣表現出很明顯的場增強效應，其大小比x方向的分量稍小一些。(3)在總場|Et|2中，孔徑范圍內的分布以|Ex|2為主，但|Ez|2也會對總場分布形狀產生較大的影響。從z＝35nm平面內的分布可看出，此時總場的分布為一類橢圓光斑，由于受z向增強的影響，不僅總強度有所提高，而且總場的分布與|Ex|2的分布相比，在x方向稍寬一些。得到尖對尖的雙三角形階梯孔納米孔徑激光器在距離孔徑膜層表面35nm的平面上光斑的x、y方向上光強半高寬分別為74nm、62nm，距出射面5nm處平面上光強極大值為1075.84，通光效率為1.2282?？梢钥闯?，這種雙三角形階梯孔的光強極大值得到了極大的增強，同時通光效率提高了很多，與方形階梯孔一樣在具有相同近場光斑尺寸的情況下較普通的非階梯型方形孔或圓孔納米孔徑激光器提高了102～104倍，同樣也較普通的非階梯型的尖對尖的雙三角孔納米孔徑激光器有很大的提高，而光斑尺寸變化不大。尖對尖的雙三角形階梯孔的通光效率大于1，這表明透過小孔的全部光功率超出小孔物理面積內的全部入射光功率，說明小孔物理邊界以外區(qū)域的光能量也能透過小孔，產生了局域場增強效應。
權利要求
1.近場光學階梯型納米孔徑激光器，所述激光器出射表面鍍有能形成納米孔徑的膜層，所述膜層上具有一個納米尺寸的出射孔徑，其特征在于所述納米出射孔徑的尺寸從所述膜層的入射表面向出射表面呈階梯型的逐漸減小，直到在所述膜層的出射表面形成一個亞波長的小孔。
2.根據權利要求1所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述納米孔徑的階梯數目為2～10個。
3.根據權利要求1或2所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述膜層的厚度為20～300nm。
4.根據權利要求3所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述納米孔徑的形狀為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、雙三角形、匚形、工形、半圓環(huán)形或C形中的一種。
5.根據權利要求3所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述納米孔徑為方形、矩形、圓形、橢圓形、三角形、雙三角形、匚形、工形、半圓環(huán)形或C形中的兩種及兩種以上形狀相組合形成的階梯型納米孔徑。
6.根據權利要求4或5所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述階梯型納米孔徑內是開放空間或者填充高折射率的介質材料。
7.根據權利要求4或5所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述激光器是邊發(fā)射型半導體激光器或面發(fā)射型半導體激光器。
8.根據權利要求4或5所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述膜層的材料是金屬材料。
9.根據權利要求8所述的納米孔徑激光器，其特征在于所述金屬膜層的材料是金、鋁、銀或鉻中的一種。
全文摘要
近場光學階梯型納米孔徑激光器，屬于近場光學、納米技術領域。為了克服已有納米孔徑激光器技術的輸出功率低，不能滿足實際使用要求的不足，本發(fā)明公開了一種階梯型納米孔徑激光器，激光器出射表面鍍有能形成納米孔徑的膜層，所述膜層上具有一個納米尺寸的出射孔徑，納米出射孔徑的尺寸從所述膜層的入射表面向出射表面呈階梯型的逐漸減小，直到在所述膜層的出射表面形成一個亞波長的小孔。本發(fā)明的通光效率與輸出光強極大值在具有相同近場光斑尺寸的情況下，較普通納米孔徑激光器提高了10～10
文檔編號H01S5/00GK1538581SQ0312194
公開日2004年10月20日 申請日期2003年4月18日 優(yōu)先權日2003年4月18日
發(fā)明者許吉英, 王佳, 徐鐵軍, 田芊 申請人:清華大學