一種基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光器，包括：基底層、增益介質(zhì)腔體、金屬薄膜層及絕緣介質(zhì)層；增益介質(zhì)腔體與基底層上表面接觸。金屬薄膜層設(shè)置在增益介質(zhì)腔體的兩側(cè)；金屬薄膜層與基底層的上表面接觸。絕緣介質(zhì)層設(shè)置在增益介質(zhì)腔體與金屬薄膜層之間；絕緣介質(zhì)層的中部開設(shè)有縱向通孔，進(jìn)而形成間隙區(qū)；增益介質(zhì)腔體的兩側(cè)位于間隙區(qū)。該表面等離子激元納米激光器能合理平衡能量損耗與局域模限制，方便制造，尺寸更小，閾值更小，綜合性能更優(yōu)。
【專利說(shuō)明】
一種基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子 激元納米激光器。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光(LASER)以其良好的單色性、較高的單位能量及其高相干性等優(yōu)良特性被人 們廣泛開發(fā)并用于不同方面的科學(xué)研究和實(shí)際的應(yīng)用中，用于激光器的材料也越來(lái)越廣 泛，激光器的尺寸也越來(lái)越小。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，器件微型化逐漸成為趨勢(shì)。人 們對(duì)納米世界的深入探索，需要超小，超快的激光器將光的能量集中到亞波長(zhǎng)尺寸區(qū)域。然 而由于傳統(tǒng)光學(xué)反饋諧振腔的激光器無(wú)法超越半波長(zhǎng)諧振腔極限，因此微納米激光器在尺 度上無(wú)法再繼續(xù)縮小。
[0003] 基于表面等離子體激元(Surface Plasmons，SPs)的納米激光器與傳統(tǒng)的激光器 不同，它將激光器中受激輻射放大的光子用表面等離子體激元替代，表面等離子體激元存 在于金屬與介電材料的交界面處，是一種自由電子與入射電磁場(chǎng)發(fā)生相互耦合而產(chǎn)生的沿 著金屬表面?zhèn)鞑サ碾姾擅芏炔?。由于電荷密度振蕩發(fā)生在金屬表面處，因此SPs波的傳播場(chǎng) 是高度局域并向金屬和介質(zhì)中指數(shù)衰減的，這樣就突破了衍射極限，為實(shí)現(xiàn)激光器的亞波 長(zhǎng)化提供了可能。
[0004] 表征納米激光器的兩個(gè)重要指標(biāo):模式特性和增益閾值。其中模式特性主要依靠 模式的傳播損耗和模式場(chǎng)區(qū)域尺寸來(lái)表征。模式的傳播損耗由模式的有效折射率的虛部 arff來(lái)表征。模式場(chǎng)的區(qū)域尺寸的物理定義：
[0006] nw(r)d2r是對(duì)橫截面內(nèi)的傳播的電磁能量密度的積分，W(r)是橫截面內(nèi)的最大 能量密度。A m越小，說(shuō)明波導(dǎo)模式場(chǎng)的局域程度越高。理想情況下，高品質(zhì)的納米激光器的 模式特性需要同時(shí)具備低損耗和高局域化的傳播場(chǎng)，但是實(shí)際上，模式特性的這兩個(gè)衡量 標(biāo)準(zhǔn)是不能同時(shí)取最優(yōu)值的，兩者是矛盾的。這是因?yàn)楫?dāng)波的傳播場(chǎng)局域在金屬的表面，傳 播場(chǎng)局域程度的提高必然會(huì)導(dǎo)致更多的傳播能量滲透到金屬內(nèi)部，然而金屬損耗是納米激 光器面對(duì)的主要損耗，這樣損耗就會(huì)增加。由此可見，要想獲得優(yōu)良的模式特性，必須處理 好兩者之間的平衡關(guān)系。
[0007] 閾值水平是衡量納米激光器工作品質(zhì)的一個(gè)重要的指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，激光器的閾 值水平就是使得設(shè)計(jì)的激光器達(dá)到受激輻射所需要的光學(xué)增益的多少或是大小。設(shè)計(jì)激光 器的閾值水平越低，達(dá)到受激輻射所需要的光學(xué)增益就越少，其工作品質(zhì)就越高。激光器的 閾值可以表示為41^=(1^(^+111(1/1〇/1^)/(11(^/11?：11^) ;其中，真空中的波數(shù).
η?為增益介質(zhì)納米線的折射率，neff為模式的有效折射率實(shí)部，比例因子rwf/n?為模式 有效折射率的增強(qiáng)部分，端面反射率R= (neff-l )/(neff+l)。
[0008] 現(xiàn)有技術(shù)中的納米激光器尺寸較大，制造難度大，無(wú)法較好的平衡能量損耗與局 域模限制，導(dǎo)致納米激光器的閾值較大，綜合性能較差。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009] 本申請(qǐng)?zhí)峁┑囊环N基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光器，解決了或 部分解決了現(xiàn)有技術(shù)中的納米激光器尺寸較大，制造難度大，無(wú)法較好的平衡能量損耗與 局域模限制，導(dǎo)致納米激光器的閾值較大，綜合性能較差的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了合理平衡能量 損耗與局域模限制，方便制造，尺寸更小，閾值更小，綜合性能更優(yōu)的技術(shù)效果。
[0010] 本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光器，包括：
[0011] 基底層；
[0012] 與所述基底層上表面接觸的增益介質(zhì)腔體；
[0013] 設(shè)置在所述增益介質(zhì)腔體兩側(cè)的金屬薄膜層;所述金屬薄膜層與所述基底層的上 表面接觸；
[0014] 設(shè)置在所述增益介質(zhì)腔體與所述金屬薄膜層之間的絕緣介質(zhì)層;所述絕緣介質(zhì)層 的中部開設(shè)有縱向通孔，進(jìn)而形成間隙區(qū);所述增益介質(zhì)腔體的兩側(cè)位于所述間隙區(qū)。
[0015] 作為優(yōu)選，所述增益介質(zhì)腔體為球形或柱形。
[0016] 作為優(yōu)選，所述增益介質(zhì)腔體的截面形狀為正方形、三角形、五邊形、六邊形、圓 形、橢圓形、梯形中任意一種。
[0017] 作為優(yōu)選，所述增益介質(zhì)腔體為圓柱形，半徑為60至100納米。
[0018] 作為優(yōu)選，所述增益介質(zhì)腔體的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、 氧化鋅中的任意一種。
[0019] 作為優(yōu)選，所述增益介質(zhì)腔體為通過(guò)元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。
[0020] 作為優(yōu)選，所述絕緣介質(zhì)層與所述基底層的材料相同。
[0021 ]作為優(yōu)選，所述絕緣介質(zhì)層與所述基底層的材料為MgF2。
[0022] 作為優(yōu)選，所述金屬薄膜層材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合 金。
[0023] 本申請(qǐng)中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：
[0024] 由于采用了在基底層的上表面設(shè)置增益介質(zhì)腔體及在增益介質(zhì)腔體兩側(cè)設(shè)置金 屬薄膜層，并在增益介質(zhì)腔體與金屬薄膜層之間設(shè)置中部開設(shè)有縱向通孔的絕緣介質(zhì)層， 通孔形成間隙區(qū)。這樣，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的納米激光器尺寸較大，制造難度大，無(wú)法 較好的平衡能量損耗與局域模限制，導(dǎo)致納米激光器的閾值較大，綜合性能較差的技術(shù)問(wèn) 題，實(shí)現(xiàn)了合理平衡能量損耗與局域模限制，方便制造，尺寸更小，閾值更小，綜合性能更優(yōu) 的技術(shù)效果。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光 器的立體結(jié)構(gòu)示圖；
[0026] 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光 器的平面示圖。
[0027] (圖示中各標(biāo)號(hào)代表的部件依次為：1基底層，2金屬薄膜層，3增益介質(zhì)腔體，4絕緣 介質(zhì)層）
【具體實(shí)施方式】
[0028] 本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光器，解 決了或部分解決了現(xiàn)有技術(shù)中的納米激光器尺寸較大，制造難度大，無(wú)法較好的平衡能量 損耗與局域模限制，導(dǎo)致納米激光器的閾值較大，綜合性能較差的技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了合理平 衡能量損耗與局域模限制，方便制造，尺寸更小，閾值更小，綜合性能更優(yōu)的技術(shù)效果。
[0029] 參見附圖1和2,本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激 光器，包括:基底層1、增益介質(zhì)腔體3、金屬薄膜層2及絕緣介質(zhì)層4;增益介質(zhì)腔體3與基底 層1上表面接觸。金屬薄膜層2設(shè)置在增益介質(zhì)腔體3的兩側(cè);金屬薄膜層2與基底層1的上表 面接觸。絕緣介質(zhì)層4設(shè)置在增益介質(zhì)腔體3與金屬薄膜層2之間；絕緣介質(zhì)層4的中部開設(shè) 有縱向通孔，進(jìn)而形成間隙區(qū)；增益介質(zhì)腔體3的兩側(cè)位于間隙區(qū)。
[0030] 其中，金屬薄膜層2表面等離子激元和增益介質(zhì)腔體3之間發(fā)生耦合在第一絕緣介 質(zhì)層4中形成亞波長(zhǎng)限制的等離子激元雜化振蕩光場(chǎng)，絕緣介質(zhì)層4能夠有效減少等離子激 元振蕩中的金屬熱損失。金屬薄膜層2和增益介質(zhì)腔體3振蕩模的耦合能夠?qū)⒐饩钟虻浇^緣 介質(zhì)層4中。
[0031] 進(jìn)一步的，參見附圖1，增益介質(zhì)腔體3為球形或柱形。增益介質(zhì)腔體3的截面形狀 為正方形、三角形、五邊形、六邊形、圓形、橢圓形、梯形中任意一種。作為一種優(yōu)選的實(shí)施 例，增益介質(zhì)腔體3為圓柱形，半徑為60至100納米，因?yàn)榘霃皆叫。撝翟酱?，綜合性能越 差，半徑越大，局域性越差，綜合性能越差。
[0032] 進(jìn)一步的，增益介質(zhì)腔體3的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化 鋅中的任意一種。增益介質(zhì)腔體3為通過(guò)元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。
[0033] 進(jìn)一步的，絕緣介質(zhì)層4與基底層1的材料相同。作為一種優(yōu)選的實(shí)施例，絕緣介質(zhì) 層4與基底層1的材料為MgF2。
[0034] 進(jìn)一步的，金屬薄膜層2材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。
[0035] 下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┑谋砻娴入x子激元納米激光器的結(jié)構(gòu)特征進(jìn) 行詳細(xì)說(shuō)明：
[0036] 金屬薄膜層2置于基底層1的裸露表面上;增益介質(zhì)腔體3與基底層1的裸露表面接 觸，絕緣介質(zhì)層4置于增益介質(zhì)腔體3的側(cè)壁，且與基底層1的裸露表面接觸。
[0037]金屬薄膜層2的材質(zhì)為鋁;增益介質(zhì)腔體3選用圓柱形，半徑為80納米，材質(zhì)為氧化 鋅，通過(guò)元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)；絕緣介質(zhì)層4縱向高度為20納米。基底 層1和絕緣介質(zhì)層4的材料采用MgF 2材料，折射率的實(shí)部為1.38。
[0038]上述實(shí)施例中的納米激光器出射激光的波長(zhǎng)為489納米。
[0039] 本申請(qǐng)中提供的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)方案，至少具有如下技術(shù)效果或優(yōu)點(diǎn)：
[0040] 由于采用了在基底層1的上表面設(shè)置增益介質(zhì)腔體3及在增益介質(zhì)腔體3兩側(cè)設(shè)置 金屬薄膜層2,并在增益介質(zhì)腔體3與金屬薄膜層2之間設(shè)置中部開設(shè)有縱向通孔的絕緣介 質(zhì)層4,通孔形成間隙區(qū)。這樣，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的納米激光器尺寸較大，制造難度 大，無(wú)法較好的平衡能量損耗與局域模限制，導(dǎo)致納米激光器的閾值較大，綜合性能較差的 技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了合理平衡能量損耗與局域模限制，方便制造，尺寸更小，閾值更小，綜合性 能更優(yōu)的技術(shù)效果。
[0041]以上所述的【具體實(shí)施方式】，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn) 一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】而已，并不用于限 制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均 應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于絕緣介質(zhì)空氣槽的表面等離子激元納米激光器，其特征在于，所述表面等 離子激元納米激光器包括： 基底層； 與所述基底層上表面接觸的增益介質(zhì)腔體； 設(shè)置在所述增益介質(zhì)腔體兩側(cè)的金屬薄膜層;所述金屬薄膜層與所述基底層的上表面 接觸； 設(shè)置在所述增益介質(zhì)腔體與所述金屬薄膜層之間的絕緣介質(zhì)層;所述絕緣介質(zhì)層的中 部開設(shè)有縱向通孔，進(jìn)而形成間隙區(qū);所述增益介質(zhì)腔體的兩側(cè)位于所述間隙區(qū)。2. 如權(quán)利要求1所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述增益介質(zhì)腔體為球形或柱形。3. 如權(quán)利要求1所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述增益介質(zhì)腔體的截面形狀為正方形、三角形、五邊形、六邊形、圓形、橢圓形、梯形 中任意一種。4. 如權(quán)利要求1所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述增益介質(zhì)腔體為圓柱形，半徑為60至100納米。5. 如權(quán)利要求1所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述增益介質(zhì)腔體的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化鋅中的任意 一種。6. 如權(quán)利要求1所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述增益介質(zhì)腔體為通過(guò)元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。7. 如權(quán)利要求1所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述絕緣介質(zhì)層與所述基底層的材料相同。8. 如權(quán)利要求7所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述絕緣介質(zhì)層與所述基底層的材料為MgF2。9. 如權(quán)利要求1所述的表面等離子激元納米激光器，其特征在于， 所述金屬薄膜層材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。
【文檔編號(hào)】G02B5/00GK205646433SQ201620351784
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】李芳 , 魏來(lái), 周劍心
【申請(qǐng)人】武漢工程大學(xué)