CN105322439B - 一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器 - Google Patents
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Abstract
该发明属于一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器，属于微纳光学和光学纳米材料领域，特别涉及纳米线激光器。该光束可控纳米线激光器包括衬底，隔离介质和在隔离介质中开设的图形凹槽，以及生长在凹槽中的纳米线阵列。该发明将纳米线发光特性与微纳光束调控透镜设计相结合，制作一个用于光束调控的图形化区域供纳米线生长，使得纳米线的出射光实现准直，聚焦等光束调控。从而克服了纳米线发光散射严重，能量利用率低等缺点。提高了纳米线激光器在小型化，集成化光学器件的实际应用。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学和光学纳米材料领域，特别涉及纳米线激光器。
背景技术
自20世纪90年代起，纳米科技迅速发展，与传统块材相比,纳米材料有着许多独特的性能,例如表面效应、量子尺寸效应等等,因此也吸引着越来越多的人从事相关方面的研究。基于氧化锌、银、氮化镓、硫化镉等材料的纳米发光材料的相关研究引起了广大科学家的广泛关注。这些可发光的纳米材料对光学、信息、军事等领域均产生了较为深远的影响。
在这些年的研究之中,各种不同形貌的纳米线激光器结构被接连制备出来,同时它们的光学、电学、磁学、催化等特性也被人们一一揭示。然而,其中仍然存在不少问题悬而未决。其中最大难题是如何大幅度提高单位面积内发光强度和发光效率和其准直性。由于纳米线被激发的光大部分集中在纳米线的顶部且发散，所以如何有效控制纳米线所发出的光的方向成为其实现器件应用的最主要的难题。
在另一研究领域，用微纳米结构对光束进行调控也成为了近年来的研究热点，这项研究的主要原理是当光在传统光学元件中传播时，由于元件形状尺寸的变化，不同光路间会存在一定的相位差。通过调整这个相位差，我们就可以得到所需的出射波波前形状。由此我们提出了一个全新的设想，即将这种结构图形与纳米线激光器结合起来，设计出一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器。这样的设计将能够精准的控制纳米线的出射光方向，从而实现纳米线所发光完成聚焦，准直，偏折。为提高纳米激光器件的性能提供了全新的技术途径。
在“Electrically pumped waveguide lasing from ZnO nanowires(氧化锌纳米线的电泵浦光波导)”(美国加州大学的刘建林课题组2011年发表于《Nature.Nanotechnol》第2011,6:506-510)一文中设计并制作出了氧化锌半导体纳米激光器，同时对器件进行了光泵浦发光测试和电泵浦发光测试，室温下光泵浦下的激射光谱图(46-403kW/cm2)，电泵浦稳定发光时的电流阈值为50mA。但是，这种纳米激光器所激发出来的光大部分被散射，能量利用率得不到保障，所以很难在器件方面得到应用。
在公告号为CN 102148476B的专利文件中公开了一种《深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器》，该激光器是将可产生横向耦合的深度亚波长表面等离子体激元谐振腔与双输出端直波导制备在金属薄膜衬底上，泵浦光源垂直于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔的端面进入。使谐振腔与双输出端直波导横向等离子体激元耦合从而产生激光。该激光光斑小，强度大。但是这个设计只是从等离子体耦合增强层面来提高激光出射强度，而不能对出射光光束进行调控，这使得出射光能量大部分被散射掉，能量利用率较低。而且这个结构较为复杂，制备起来工艺要求较高。
发明内容
本发明是针对纳米线发光出射光散射严重，难以控制出射光方向，单元面积内光能量利用率低等问题，提出的一种新的通过图形化生长纳米线实现纳米线出射光方向可控的方法。以满足小型化，光电集成等目的。
本发明的解决方案是在背景技术生长纳米线阵列的衬底上镀一层隔离介质，这种介质用于阻挡纳米线在其表面生长。并在阻挡层上运用光刻技术对其进行图形化加工，使图形化区域的衬底裸露出来供纳米线在衬底/隔离介质组成的凹槽中生长。加工的图形为可以实现控制光束的微纳结构图形。运用化学气相沉积方法在图形化凹槽中生长纳米线，透明壳体罩于纳米线阵列及衬底上密封一体。
本发明一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器，包括：衬底、隔离介质层、图形化的纳米线；其中隔离介质层位于衬底上，且设置有图形化的镂空，以露出衬底，图像化的纳米线生长于露出的衬底上，其特征在于纳米线的图形为可控制激光光束方向的图形，所述纳米线高度大于等于隔离介质层的2倍，纳米线直径小于图形化凹槽的宽度。
进一步的，所述纳米线的图形为菲涅尔波带片图形、微纳沟槽图形、V形纳米天线图形、单根纳米天线图形或微纳平面透镜结构图形。
进一步的，所述纳米线材料为氧化锌、硫化镉、氮化镓、锑化镓、硒化镉、硫化锌半导体材料中的任意一种。
进一步的，所述衬底材料为蓝宝石，氮化镓或者硅。
本发明将可以实现光束控制的微纳结构设计与纳米线激光器设计结合起来，设计出一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器。这样的设计将能够精准的控制纳米线的出射光方向，从而实现纳米线所发光完成聚焦，准直，偏折。本发明具有体积小，结构简单，可靠性高，可调谐范围大等诸多优点。为提高纳米激光器件的性能提供了全新的技术途径。
附图说明
图1为基于图形化生长的光束可控纳米线激光器实体结构示意图(截面图)；
图2为图1的俯视图；
图3为实施例一仿真实验中y面与z面的电场分布图；
图4为实施例一仿真实验中聚焦斑中心x横截面的光强分布曲线；
图中：1.(半导体)纳米线，2.隔离介质，3.衬底。
具体实施方式
实施例1：本实施例以直径为200nm的氧化锌纳米线为例，隔离介质2材料为二氧化硅，其折射率为1.47，厚度为100nm；利用光刻的方法在隔离介质上刻蚀图形，图形区域为由八个同心圆环组成的菲涅尔聚焦透镜模型，各个圆环的半径分别为4.43μm；6.85μm；8.6μm；10.05μm；11.31μm；12.45μm；13.73μm；14.75μm；设计焦距为35μm。半导体纳米线1材料为氧化锌，折射率为2.45，直径200nm，长度5μm。纳米线在图形化隔离介质凹槽内生长。单元菲涅尔透镜纳米激光器直径为14.75μm。衬底3材质为氮化镓，体积为(长×宽×高)50μm×50μm×100μm。本实施方式的采用玻璃罩密封；本实施例基于图形化生长的光束可控纳米线激光器体积为(长×宽×高)50μm×50μm×180μm。
本实施例采用波长为385nm的平面波入射光进行仿真实验，附图3为本实例基于图形化生长的光束可控纳米线激光器聚焦在Y平面和Z平面的电场分布图，设计焦距为35μm，实际聚焦焦距为32μm(从纳米线顶部光出射面算起)；附图4为本实例聚焦斑中心截面的光强分布曲线，计算可得聚焦斑中心光强度为入射光强的400倍，且聚焦斑的半高全宽值小于一个波长，光能量利用率得到明显提升。
本实施例2：本实施例以直径为100nm的氧化锌纳米线为例，纳米线4长度为1μm，纳米线激光器设计聚焦焦距为20μm，其余均与实施例1相同。本实施例因设计焦距短，纳米线更细更密集。经过计算，此纳米线激光器实际聚焦焦距为19μm,聚焦中心光强为入射光强的480倍，对应光强更高。
Claims (4)
1.一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器，包括：衬底、隔离介质层、图形化的纳米线；其中隔离介质层位于衬底上，且设置有图形化的镂空，以露出衬底，图像化的纳米线生长于露出的衬底上，其特征在于纳米线的图形为可实现激光光束聚焦、准直的微纳沟槽图形，所述纳米线高度大于等于隔离介质层的2倍，纳米线直径小于图形化凹槽的宽度。
2.如权利要求1所述的一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器，其特征在于所述纳米线的图形为菲涅尔波带片图形、V形纳米天线图形、单根纳米天线图形或微纳平面透镜结构图形。
3.如权利要求1所述的一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器，其特征在于所述纳米线材料为氧化锌、硫化镉、氮化镓、锑化镓、硒化镉、硫化锌半导体材料中的任意一种。
4.如权利要求1所述的一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器，其特征在于所述衬底材料为蓝宝石，氮化镓或者硅。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102545050A (zh) * | 2012-02-22 | 2012-07-04 | 北京航空航天大学 | 一种低阈值表面等离子体激光器 |
| US20120314726A1 (en) * | 2009-12-23 | 2012-12-13 | Dongguk University Industry-Academic Cooperation Foundation | Laser diode using zinc oxide nanorods and manufacturing method thereof |
| US20140286367A1 (en) * | 2012-11-02 | 2014-09-25 | The Regents Of The University Of California | Nanopillar photonic crystal lasers |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20120314726A1 (en) * | 2009-12-23 | 2012-12-13 | Dongguk University Industry-Academic Cooperation Foundation | Laser diode using zinc oxide nanorods and manufacturing method thereof |
| CN102545050A (zh) * | 2012-02-22 | 2012-07-04 | 北京航空航天大学 | 一种低阈值表面等离子体激光器 |
| US20140286367A1 (en) * | 2012-11-02 | 2014-09-25 | The Regents Of The University Of California | Nanopillar photonic crystal lasers |
| CN104538837A (zh) * | 2015-01-09 | 2015-04-22 | 电子科技大学 | 一种纳米等离子体阵列激光器及其制作方法 |
| CN104765145A (zh) * | 2015-04-15 | 2015-07-08 | 重庆大学 | 基于反射型微镜阵列实现变焦透镜的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| High-Quality ZnO Nanowire Arrays;Chun Cheng;《ACSNANO》;20081229;第3卷(第1期);全文 * |
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