CN103066495B - 一种等离子体纳米激光器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种等离子体激光器，包括金属层和形成在金属层之上的增益介质层，所述增益介质层平行于金属层的横截面为环形，所述增益介质层最靠近金属层的横截面落在所述金属层所覆盖的范围之内。本申请的等离子体激光器由于具有环形的增益介质层，光场在该环形结构中谐振，使得光场有较强的束缚能力。光场在增益介质层和金属层之间形成的环形区域的表面循环传播，减小了纳米激光器的尺寸，同时由于环形结构极易发生耦合作用，有利于集成光学系统的小型化。

Description

一种等离子体纳米激光器

技术领域

本申请涉及微纳光电子器件/激光领域，具体涉及一种等离子体纳米激光器。

背景技术

纳米光子学和光电子学在近年得到了迅速发展。由于纳米结构的器件具有优良的光学和电学特性，其已被广泛应用于各类光学和光电器件，覆盖范围从波导到激光辐射等。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。

目前，很多研究人员将表面等离子体概念应用到激光领域，并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。

图1为现有技术中基于表面等离子体效应的纳米激光器，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问题。该激光器包括硫化镉101，氟化镁层102,银薄膜103。在银薄膜上沉积厚度为5nm的氟化镁102作为低折射率介质层，在其上制作直径约100nm，长度为1～2微米的硫化镉元件，对其照射激发光，硫化镉101受激光泵浦而发光，银膜103与硫化镉101纳米线之间产生表面等离子体，从而将硫化镉101发出的光限制在5nm厚的氟化镁层102内。这种光所形成的光场在硫化镉101纳米线的两个端面来回反射，形成激光振荡输出。上述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。

然而，上述表面等离子激光器基于的一种是直线纳米线结构，长度为1～2微米，体积较大，如果运用在集成光学系统中，不利于器件的小型化；同时，上述结构中的激光器靠纳米线两端面反射产生激光，大部分能量从端面出射了，留在激光器中的能量很少，不利于得到大功率的激光器件。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是，提出一种纳米尺寸的更小，品质因数更高的等离子体纳米激光器。

本申请的一种等离子体纳米激光器包括金属层和形成在金属层之上的增益介质层，其特征在于，所述增益介质层平行于金属层的横截面为环形，所述增益介质层最靠近金属层的横截面落在所述金属层所覆盖的范围之内。

所述等离子体纳米激光器还包括形成于金属层与增益介质层之间且覆盖在金属层表面的低折射率介质层。

所述低折射率介质层的折射率小于增益介质的折射率。

所述增益介质层的环壁在垂直于金属层方向上的竖直截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形、六角形和梯形中的任意一种。

所述增益介质层平行于金属层的横截面的形状为圆形环、椭圆形环、六角形环、正方形环、矩形环、梯形环和三角形环中的任意一种。

所述增益介质层的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉和硫化锌中的任意一种。

所述金属层的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍和铬中的任意一种，或是上述不同金属构成的复合材料。

本申请的等离子体纳米激光器由于具有环形的增益介质层，在增益介质层和金属层之间形成的表面等离子区域为环形结构，光场在该环形结构中谐振，环形的谐振腔使得光场有较强的束缚能力，光场在增益介质层和金属层之间形成的环形区域的表面循环传播，减小了纳米激光器的尺寸，同时由于环形结构极易发生耦合作用，有利于集成光学系统的小型化。

附图说明

图1为现有技术中的一种等离子体纳米激光器的结构图；

图2为本申请实施例1提供的一种等离子体纳米激光器的结构图；

图3为图2中一种等离子体纳米激光器的剖面图；

图4为本申请实施例1的等离子体纳米激光器对应输出波长为490nm时归一化电场强度沿X轴(a)和Y(b)轴方向的分布曲线；

图5为本申请实施例1的等离子体纳米激光器输出波长λ和品质因子Q随环形纳米结构的半径R的变化而变化的关系图；

图6是本申请实施例1的等离子体纳米激光器的谐振波长分布图；

图7为本申请实施例2提供的一种等离子体纳米激光器的结构图。

具体实施方式

激光器是一种光的受激发射器。在正常情况下，粒子大部分处于基态，只有少数粒子处于激发态。光子打到增益介质上，由于增益介质已经受能量泵浦存在粒子束反转，使受激发的粒子向基态跃迁，同时发射出大量的光子，这种受激跃迁过程所发射出来的光子的特征(频率、行进方向、位相和偏振)与入射光子完全相同，从而实现了雪崩式的光放大作用。在激光器的谐振腔中，受激发射的过程以一定的方式持续下去，形成了激光。

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，可以将横向光波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。

本申请正是利用表面等离子的原理发明了一种等离子激光器。在可见光波段，金、银等贵金属的介电常数的实部为负值，通过求解电磁场的麦克斯韦方程组可知，电磁场被限制贵金属表面，并且区域小于波长尺寸，所以称之为亚波长尺寸限制。通过对金属表面纳米结构的调制，使得增益介质发出的光能够激发出金属表面自由电子的等离子体震荡，光限制在金属表面的低折射率介质中，并且在环形谐振腔中传播。在低折射率介质中，光场具有极小的模式体积，在极小的区域内，光场和光子的相互作用能大大减小光子寿命，加快受激发光子的跃迁，从而又加强了激光的强度，通过这样的正反馈效应能够得到较强的激光。同时，本结构采用的是环形结构的谐振腔，它和其他波导器件之间具有易耦合的特点，这样产生的光信号极易耦合出来，并输出激光，在有限的体积内获得较大的增益。

激光器的品质因子Q(Quality Factor)是表征表面等离子体纳米激光器的重要指标，Q值的大小表征了激光器限制能量的能力和损耗的能力，Q值越大表示激光器的性能越好。

Q值计算公式如下：

Q＝f/Δf  (1)

其中f为谐振频率，Δf为谐振频率的半波宽度。

对于环形谐振腔必须满足相位匹配条件：

2πRn_eff＝mλ  (2)

其中n_eff环形谐振腔的有效折射率；R为环形纳米结构的半径；m为谐振级数，取正整数；λ为激光器输出光的波长。

随环形纳米结构的半径R的变化，激光器的输出光的波长λ也会随着发生变化。

光谱中两个相邻的谐振峰之间的波长差称为FSR，一个FSR对应的谐振级数相差1，当某一波长为λ的信号在半径为R的微环中谐振时，必须满足微环谐振方程(2)，此时R保持定值，Δm＝-1，Δλ_m＝FSR，将FSR写成与折射率波长相关的方程为：

$\mathrm{FSR}=\frac{\mathrm{\λ}{n}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{mn}}_g}---\left(3\right)$

其中n_g为环形谐振腔中的群折射率，n_g写成与有效折射率相关的方程为：

$n_g=n_{\mathrm{eff}}-\mathrm{\λ}\frac{{\mathrm{dn}}_{\mathrm{eff}}}{\mathrm{d\λ}}---\left(4\right)$

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

请参考图2，为本申请实施例提供的一种等离子体纳米激光器，包括金属层203，形成于金属层203之上的低折射率介质层202，和形成于低折射率介质层202之上的环形增益介质层201，增益介质层201最靠近金属层203的横截面落在金属层203所覆盖的范围之内。在其它实施例中，可以不包括低折射率介质层202，而是仅有金属层203和环形增益介质层201的双层结构。

增益介质层201的横截面形状为矩形，还可以为椭圆形环、六角形环、正方形环、、梯形环和三角形环中的任意一种。本实例中形成的圆环形增益介质层201，减小了与低折射率介质层的接触面，从而减小了金属的损耗。此时，光在低折射率介质中沿环形传播。

对于各部分的组成材料而言，增益介质201为硫化镉，低折射率介质层202为氟化镁层，金属薄膜层203为银薄膜。在其它实施例中，增益介质层201的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉和硫化锌中的任意一种，或是有光学增益的材料，例如掺杂染料的有机材料，或者有光学增益的无机材料，例如红宝石等掺杂离子或其它染料的无机材料；金属薄膜层203的材料为能产生表面等离子体的金、铝、铜、钛、镍、铬中的任意一种，或是各自的合金。

如图3所示，本实施例的激光器的环形增益介质层201的竖直截面为矩形，圆环的直径为R，n₁为其折射率，宽度为W₂，高度为H₃，半径为R；低折射率介质202和金属薄膜层203的横截面均为长方形，低折射率介质202的折射率为n₂，W₁为其宽度，H₁为其高度；金属薄膜层203的高度为H₂，宽度为W₁。

本实施例中，W₂＝120nm，R＝250nm，H₂＝5nm；W₁＝800nm，H₁＝600nm。

本实施例中，H₃＝115nm，在其它实施例中，增益介质层201沿环壁的竖直截面可以为正方形、矩形、三角形、六角形、圆形、椭圆形、多边形或梯形中的任意一种，可灵活选取。

本实施例中，n₂＝1.38，n₁＝2.5，一般情况下，低折射率介质层的折射率n₂小于增益介质的折射率n₁，优选的，1.3≤n₂<0.75n₁。

激光器输出中心波长为497nm，在497nm附近有一定展宽，在497nm波长处得折射率实部为-9.6，虚部为0.3。整个器件置于空气中，空气折射率为1。在其它实施例中，器件也可以置于真空或者其它介质环境中，使用有限时域差分方法对本实施例中上述表面等离子体纳米激光器结构进行仿真、计算，可以得到波长在497nm附近处表面等离子体激元的模式特性及增益阈值。

图4是本实施例中等离子体纳米激光器对应输出波长为497nm时归一化电场强度在X(a)和Y(b)平面内的强度分布。由图4的强度分布可见，结构中心处低折射率介质层间隙部分电场强度最强，激光器输出的光场可以被较好的约束在间隙中。由于金属表面等离子体效应的作用，增益介质201中的光能量被限制在厚度仅为几个纳米的低折射率介质层202中。这样的结构实现了在亚波长尺度对光场的限制，能够得到尺寸极小的光斑，同时由于光场在低折射率介质层202中传播能够有效的降低金属的损耗，在没有低折射率介质层202的情况下，金属的损耗相对较大。

图5是本实施例中等离子体纳米激光器输出波长λ和品质因子Q随环形纳米结构的半径R的变化而变化的关系图。由图5可见，随着半径R的增大，谐振波长λ逐渐变大，并且品质因子Q也随之增大。因此，在一定的范围内，环形结构的半径R越大，激光器的性能越好。

图6是本实施例中等离子体纳米激光器对应输出光波长为497nm时的FSR特性。由图可知，对于按照实例中设置参数的圆环的激光器，FSR所代表的两个相邻的谐振峰之间的波长差为45nm左右，其中中心波长为497nm，与硫化镉中心发光波长重合。FSR为45nm说明该器件在正负45nm范围内具有较好的选波长的能力，能够在一定频宽范围内选出单一波长的光波。

本申请的等离子体纳米激光器中，由于增益介质层201具有环形结构，光场在该环形结构中谐振，环形的谐振腔使得光场有较强的束缚能力。由于光场被限制在低折射率介质层，并循环传播，可以有效的减小器件的尺寸。相比其它结构的激光器件，有较大的Q值，同时环形结构很容易发生耦合作用，有利于集成光学系统的小型化。

实施例2：

如图7所示，为本申请的另外一种结构等离子体纳米激光器，包括增益介质层301和金属层302，其中增益介质层301平行于金属层302的横截面为椭圆环结构。

由于表面等离子体的作用，使光场限制在金属层301与增益介质层302接触的表面，同时，由于金属层301与增益介质层302接触的表面为环形，即接触表面很小，从而也减小了对金属的损耗，光沿着环形接触面循环传播，也可以产生很好的耦合作用。

在另外的实施例中，也可以在增益介质层301和金属层302之间形成一层低折射率介质层，增益介质层301最靠近金属层302的横截面落在金属层302覆盖的范围之内。

综上所述，本申请的一种环形表面等离子体纳米激光器具有以下优点：

1、基于光场在金属层和增益介质层之间的耦合，可将辐射光场限制在金属层与增益介质层接触面间或者低折射率介质层中，从而实现对激光器输出光场的二位亚波长约束，同时仍能保持较低的传输损耗；

2、光场在低折射率介质层的传播降低了现有表面等离子体纳米激光器的损耗，同时环形结构减小了表面等离子体纳米激光器的尺寸，为集成光学系统的实现提供了基础。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (7)

1.一种等离子体纳米激光器,包括金属层和形成在金属层之上的增益介质层，其特征在于，所述增益介质层平行于金属层的横截面为环形，所述增益介质层最靠近金属层的横截面落在所述金属层所覆盖的范围之内。

2.如权利要求1所述的等离子体纳米激光器，其特征在于，还包括形成于金属层与增益介质层之间且覆盖在金属层表面的低折射率介质层。

3.如权利要求2所述的等离子体纳米激光器，其特征在于，所述低折射率介质层的折射率小于增益介质的折射率。

4.如权利要求1所述的等离子体纳米激光器，其特征在于，所述增益介质层的环壁在垂直于金属层方向上的竖直截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形、六角形和梯形中的任意一种。

5.如权利要求1所述的等离子体纳米激光器，其特征在于，所述增益介质层平行于金属层的横截面的形状为圆形环、椭圆形环、六角形环、正方形环、矩形环、梯形环和三角形环中的任意一种。

6.如权利要求1所述的等离子体纳米激光器，其特征在于，所述增益介质层的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉和硫化锌中的任意一种。

7.如权利要求6所述的等离子体纳米激光器，其特征在于，所述金属层的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍和铬中的任意一种，或是上述不同金属构成的复合材料。