CN102570303A - 一种亚波长表面等离子体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚波长表面等离子体激光器结构，包含“∧”字形(或“∨”字形)金属基底(1)、位于其上的介质缓冲层(2)，介质缓冲层上的增益介质纳米管及其中心的填充区域(3、4)以及包层(5)。增益介质纳米管和金属基底之间的耦合可显著的将光场限制在介质缓冲层中，实现对激光器输出光场的二维亚波长约束，同时增益介质纳米管中心的低折射率填充层则有助于保持较低的损耗。该激光器的特性可通过选择金属基底的顶角大小来调控，以满足实际应用的需求。

Description

一种亚波长表面等离子体激光器

技术领域

本发明涉及微纳光子器件/激光领域，具体涉及一种亚波长表面等离子体激光器。

背景技术

表面等离子体技术和激光技术的结合成为当今一大研究热点。表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式，基于表面等离子体的结构可以将横向光场限制在远小于波长的尺寸范围，从而突破衍射极限的限制。很多研究者正利用表面等离子体突破衍射极限这一特点，致力于激光器元件的小型化。但是，为降低激光器的工作阈值，需要同时满足低损耗传输和增益介质区域的较强场限制能力这两个条件，而这正是传统表面等离子体激元光波导无法克服的问题。

另一方面，纳米线具有优良的光学和电学特性，其已被应用于各类光学和光电器件，覆盖范围从导波到激发光辐射等。纳米线光子学技术的相关研究在近年来得到了国内外学者的广泛关注。其中半导体纳米线因其小尺寸、大折射率差的特点，已被用作稳定的激光光源。随着纳米科技的兴起，纳米激光器的研究成为一个崭新的重要课题。纳米激光器在诸多领域，包括电子通讯、信息存储、生化传感器、纳米光刻等方面都有很强的应用价值。

加州大学伯克利分校的张翔研究小组最新研究发现在低折射率介质/金属平面结构的附近添加一个高折射率介质纳米线，可将光场约束到高折射率介质纳米线和金属界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。该波导结构克服了传统表面等离子体激元光波导结构无法平衡模场限制能力和传输损耗这两个物理量的问题。基于该波导结构，该研究小组开发出了小型半导体激光器。该激光器是在银薄膜上通过厚5nm的氟化镁绝缘层制作载有直径约100nm的硫化镉纳米线的元件，对其照射激发光，使得银层与纳米线之间产生表面等离子体，从而作为激光器振荡。该激光器通过利用表面等离子体技术，将发光部的尺寸降至发射光波长的1/20以下，有利于大幅扩大光通信的通信容量及电路光化。

本发明则基于上述混合思想，提出了一种新型亚波长表面等离子体激光器。该激光器采用含角度的金属结构作为基底，通过选择合适的角度，可以实现激光器特性的调控，同时采用增益介质纳米管，在一定程度了降低了损耗。该激光器结构加工方便，且可与各类光波导及器件相集成。

发明内容

本发明提供了一种亚波长表面等离子体激光器结构，包含金属基底、位于金属基底上的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质纳米管、增益介质纳米管内中心的填充区域以及包层；其中，金属基底在与增益介质纳米管相邻的区域呈“∧”字形或“∨”字形，“∧”字形或“∨”字形区域的顶角位于增益介质纳米管的正下方，“∧”字形或“∨”字形区域的高度为激光器输出光的波长的1.5-10倍，“∧”字形金属基底对应的内顶角大于0度且小于180度，“∨”字形金属基底对应的内顶角大于180度且小于360度；介质缓冲层的厚度均匀，且其厚度为激光器输出光的波长的0.004-0.06倍；增益介质纳米管在激光器输出光的波长上具有光学增益，其最大宽度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍；增益介质纳米管内中心的填充区域的最大宽度为激光器输出光的波长的0.01-0.4倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.01-0.4倍，且增益介质纳米管内中心的填充区域的最大宽度和最大高度分别小于增益介质纳米管的最大宽度和最大高度；金属基底、介质缓冲层、增益纳米管以及增益介质纳米管内中心的填充区域的纵向长度不超过100微米，且四者长度相等；在长度方向上，金属基底、介质缓冲层、增益纳米管以及增益介质纳米管内中心的填充区域的截面形状和尺寸均保持不变；介质缓冲层、增益介质纳米管内中心的填充区域以及包层的材料为相同材料或不同材料，增益介质纳米管的材料折射率高于介质缓冲层、增益介质纳米管内中心的填充区域以及包层的材料折射率，介质缓冲层、增益介质纳米管内中心的填充区域和包层的材料折射率的最大值与增益介质纳米管的材料折射率的比值小于0.75。

所述激光器结构中金属基底的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。

所述激光器结构中增益介质纳米管的材料为有光学增益的有机材料或无机材料中的任何一种。

所述激光器结构中增益介质纳米管和增益介质纳米管内中心的填充区域的截面形状为三角形、矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的亚波长表面等离子体激光器具有以下优点：

1.所提亚波长表面等离子体激光器基于增益介质纳米管模式和含顶角的金属结构的表面等离子激元模式的耦合，可将辐射光场限制在低折射率介质缓冲层中，从而实现对激光器输出光场的二维亚波长约束。与此同时有相当一部分模场分布在增益介质纳米管中，能保持较强的限制因子，此外纳米管内中心的低折射率填充介质使得保持较低的传输损耗成为可能，因而有利于激光器实现低阈值工作。

2.所提亚波长表面等离子体激光器可以通过选择不同的金属结构实现特性的调谐，金属结构的顶角对于模式尺寸、传输损耗、工作阈值等重要特性将产生关键性的影响。

3.所提亚波长表面等离子体激光器可与现有加工工艺相匹配，可用于构建各类集成有源表面等离子体器件。

附图说明

图1是亚波长表面等离子体激光器的结构示意图。区域1为金属基底，其“∧”字形或“∨”字形区域的内顶角为θ，“∧”字形或“∨”字形区域的高度为h₁；区域2为介质缓冲层，其厚度为d；区域3为增益介质纳米管，其宽度为w₃，高度为h₃；区域4为增益介质纳米管内中心的填充区域，其宽度为w₄，高度为h₄；区域1、区域2、区域3和区域4的纵向(沿Z轴方向)长度为L；区域5为包层。

图2是实例所述亚波长表面等离子体激光器的横截面结构图。201为金属基底，n_m为其折射率，“∧”字形区域的内顶角为θ，“∧”字形区域的高度为h_m；202为介质缓冲层，n_b为其折射率，h为其厚度；203为圆形增益介质纳米管，n_g为其折射率，w₃为其宽度，h₃为其高度；204为增益介质纳米管内中心的填充区域，n₁为其折射率，w₄为其宽度，h₄为其高度；205为包层，n_c为其折射率；201、202、203和204的纵向(沿Z轴方向)长度为L。

图3是实例所述亚波长表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时归一化电场强度的分布图。

图4是实例所述亚波长表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性，其中，图4(a)-(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随厚度h的变化曲线。

图5是实例所述亚波长表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随厚度h的变化曲线。

具体实施方式

表面等离子体波的模式特性以及增益阈值是表征表面等离子体纳米激光器的重要指标。其中模式特性主要包括有效折射率实部和虚部、模场限制因子和归一化有效模场面积。

有效折射率虚部表征模式的有效传输损耗，模场限制因子表征增益介质纳米管的场强限制能力，在此定义为增益介质中所含电场能量占波导总电场能量的比例。

有效模场面积的计算表达式如下：

A_eff＝(∫∫|E(x，y)|²dxdy)²/∫∫|E(x，y)|⁴dxdy        (1)

其中，A_eff为有效模场面积，E(x，y)为表面等离子体波的电场。归一化有效模场面积为(1)式计算得到的有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。衍射极限小孔的面积定义如下：

A₀＝λ²/4        (2)

其中，A₀为衍射极限小孔面积，λ为激光器输出光的波长。因此，归一化有效模场面积A为：

A＝A_eff/A₀        (3)

归一化有效模场面积的大小表征模式的模场约束能力，该值小于1的情形对应亚波长的尺寸约束，当该值远小于1时对应深亚波长的光场约束。

激光器的增益阈值的计算式如下：

g_th＝(k₀α_eff+ln(1/R)/L)/Γ·(n_eff/n_wire)        (4)

其中k₀表示光在真空中的波数，且k₀＝2π/λ，λ为激光器输出光的波长；α_eff为模式的有效折射率虚部，R为端面反射率，L为增益介质纳米管的纵向长度，Γ为限制因子，n_eff为模式的有效折射率实部，n_wire为增益介质纳米管的折射率。

端面反射率R的表达式如下：

R＝(n_eff-1)/(n_eff+1)        (5)

实例：

图2是实例所述亚波长表面等离子体激光器的横截面结构图。201为金属基底，n_m为其折射率，“∧”字形区域的内顶角为θ，“∧”字形区域的高度为h_m；202为介质缓冲层，n_b为其折射率，h为其厚度；203为圆形增益介质纳米管，n_g为其折射率，w₃为其宽度，h₃为其高度；204为增益介质纳米管内中心的填充区域，n₁为其折射率，w₄为其宽度，h₄为其高度；205为包层，n_c为其折射率；201、202、203和204的纵向(沿Z轴方向)长度为L。

在本实例中，激光器输出光的波长为490nm，201的材料为银，在490nm波长处的折射率实部为-9.2，虚部为0.3；203的材料均为硫化镉，折射率实部为2.4；202、204以及205的材料均设为空气，其折射率实部为1。

在本实例中，201的“∧”字形区域的高度h_m＝3000nm，内顶角θ为60度；203的宽度w₃＝100nm，高度h₃＝100nm；204的宽度w₄＝60nm，高度h₄＝60nm；202厚度h的取值范围为5-20nm；201、202、203以及204的纵向长度L＝30μm。

使用全矢量有限元方法对本实施例中上述亚波长表面等离子体激光器结构进行仿真，计算得到490nm波长处表面等离子激元模式的模式特性及增益阈值。

图3是实例所述亚波长表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时归一化电场强度的分布图(h＝10nm)。由场强分布图可知，在金属基底和增益介质纳米管之间的介质缓冲层中有明显的场增强效应。

图4是实例所述亚波长表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性，其中，图4(a)-(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随厚度h的变化曲线。由图可知，随着厚度h的增加，模式的有效折射率、有效传输损耗以及限制因子均呈单调下降趋势，而模式的有效模场面积则随厚度h的增加不断增大，在整个范围内，该结构始终能实现对光场的深亚波长约束。

图5是实例所述亚波长表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随厚度h的变化曲线。由图可知，该阈值随厚度h的增加而先减小后增大，说明在这个范围内存在最低的工作阈值。在实际工作中，当泵浦条件达到增益介质纳米管的增益阈值时，激光便可产生，从而实现深亚波长的表面等离子体激光器。

最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的亚波长表面等离子体激光器，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种亚波长表面等离子体激光器结构，包含金属基底、位于金属基底上的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质纳米管、增益介质纳米管内中心的填充区域以及包层；其中，金属基底在与增益介质纳米管相邻的区域呈“∧”字形或“∨”字形，“∧”字形或“∨”字形区域的顶角位于增益介质纳米管的正下方，“∧”字形或“∨”字形区域的高度为激光器输出光的波长的1.5-10倍，“∧”字形金属基底对应的内顶角大于0度且小于180度，“∨”字形金属基底对应的内顶角大于180度且小于360度；介质缓冲层的厚度均匀，且其厚度为激光器输出光的波长的0.004-0.06倍；增益介质纳米管在激光器输出光的波长上具有光学增益，其最大宽度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍；增益介质纳米管内中心的填充区域的最大宽度为激光器输出光的波长的0.01-0.4倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.01-0.4倍，且增益介质纳米管内中心的填充区域的最大宽度和最大高度分别小于增益介质纳米管的最大宽度和最大高度；金属基底、介质缓冲层、增益纳米管以及增益介质纳米管内中心的填充区域的纵向长度不超过100微米，且四者长度相等；在长度方向上，金属基底、介质缓冲层、增益纳米管以及增益介质纳米管内中心的填充区域的截面形状和尺寸均保持不变；介质缓冲层、增益介质纳米管内中心的填充区域以及包层的材料为相同材料或不同材料，增益介质纳米管的材料折射率高于介质缓冲层、增益介质纳米管内中心的填充区域以及包层的材料折射率，介质缓冲层、增益介质纳米管内中心的填充区域和包层的材料折射率的最大值与增益介质纳米管的材料折射率的比值小于0.75。

2.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中金属基底的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。

3.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中增益介质纳米管的材料为有光学增益的有机材料或无机材料中的任何一种。

4.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中增益介质纳米管和增益介质纳米管内中心的填充区域的截面形状为三角形、矩形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

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