CN105591285A - 一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器 - Google Patents

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于海超
王健
林杰
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Abstract

一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，属于激光技术领域。本发明达到的技术目的是：显著降低表面等离激元激光器的激发阈值。本发明一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，包括基片，位于基片上的金属薄膜层，位于金属薄膜层上的绝缘介质层和位于绝缘介质层上的纳米线；所述的半导体纳米线由钙钛矿材料制备而成。该发明以钙钛矿材料作为增益介质，可以显著降低表面等离激元纳米线激光器的激发阈值，并能使激光器在温度高于室温的情况下仍能正常工作，同时具有发光波长可调谐、动力学过程超快、结构简单、容易加工的优点。

Description

一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体涉及一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，属于激光技术领域。
背景技术
半导体纳米线激光器因具有超紧凑的结构、高度局域化的相干光源输出和高效波导的特点，将成为集成光子器件和集成光电子器件的基石。这种激光器中，半导体纳米线既是光增益介质，同时纳米线的两个端面构成法布里-珀罗腔，作为光学放大的谐振腔。自2001年加州大学伯克利分校的杨培东课题组通过光学泵浦氧化锌纳米阵列，制成出射紫外激光的激光器后，纳米线激光器受到广泛关注而且发展迅速，基于不同纳米线，出射从紫外到近红外波段激光的光学泵浦纳米线激光器已经相继被报道出来。
然而，这些纳米线激光器受到衍射极限的限制，不管是在光场模式尺寸还是在器件物理尺寸上都超过光场的半波长。因此，实现纳米尺度相干光源的超小型激光器仍是一个挑战。
解决上述问题的一个方法是利用表面等离激元。表面等离激元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。表面等离激元能够将光场限制在远小于波长的尺度范围，从而突破衍射极限。但是，在光波频段，金属的欧姆损耗使得基于表面等离激元的纳米激光器难以实现。
2009年，美国加州大学伯克利分校的张翔课题组发表在《nature》上的“Plasmonlasersatdeepsubwavelengthscale”(Nature2009,461,629)中公开了了一种表面等离激元纳米线激光器。他们通过在高折射率介质和金属薄膜之间引入一层极薄的低折射率介质层构成等离子波导结构，该结构能够将光场限制在低折射率介质层中传输，并能降低损耗实现远距离传输。该激光器是在直径约100nm的硫化镉纳米线和银薄膜之间引入5nm氟化镁构成的。该激光器利用表面等离激元技术成功地将激光的模式尺寸降低至波长的1/100以下，有利于大幅扩大光通信的通信容量和光路的高度集成，然而由于这种结构中高损耗存在，使其只能工作在超低温的环境下。2012年，美国德克萨斯大学的ShangjrGwo课题组发表在《Science》上的“PlasmonicNanolaserUsingEpitaxiallyGrownSilverFilm.”(Science2012,337)提出使用InGaN/GaN核壳结构的纳米线作为增益材料，并采用改进的银薄膜生长方法，实现了连续光泵浦的表面等离激元激光器，然而该器件同样由于损耗高的原因，只能在低温的环境中工作。2014年，新加坡南洋理工大学的QihuaXiong课题组发表在《NatureCommunications》上的“Aroomtemperaturelow-thresholdultravioletplasmonicnanolaser”(NatureCommunications2014,5)提出采用高质量GaN纳米线作为增益材料，实现了室温下可以工作的表面等离激元激光器，同样受制于高损耗，该器件需要在纳秒激光泵浦的条件下才能在室温条件下工作，因此具有较高的阈值。
综上，为了目前的表面等离激元激光器领域仍然存在损耗过高，导致激光器无法在室温或者超过室温环境下有效工作这一技术瓶颈。
2015年SongJin课题组和XiaoyangZhu课题组合作在《naturematerials》发表了一篇基于钙钛矿材料的纳米激光器：“Leadhalideperovskitenanowirelaserswithlowlasingthresholdsandhighqualityfactors”。该激光器通过应用钙钛矿纳米线降低了激光器阈值(220nJcm-2)并提高了品质因数(～3600)。该激光器由钙钛矿纳米线置于硅基底上的二氧化硅介质层上构成的，因此该激光器不是表面等离激元的激光器，仍然受到光学衍射极限的限制。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，根据本发明的一个方面，本发明旨在提出一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，以解决目前的表面等离激元激光器领域仍然存在损耗过高，导致激光器无法在室温或者超过室温环境下有效工作这一技术瓶颈。本发明的激光器在模式尺寸和物理尺寸上均可以突破衍射极限，以钙钛矿材料作为增益材料可以显著降低表面等离激元纳米线激光器的激发阈值，并能使激光器在温度高于室温的情况下仍能正常工作，同时具有发光波长可调谐、动力学过程超快、结构简单、容易加工的优点，在光子集成，生物探测以及光学通信等领域有着巨大应用前景。
本发明的一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，包括基片，位于基片上的金属薄膜层，位于金属薄膜层上的绝缘介质层和位于绝缘介质层上的纳米线；所述的半导体纳米线由钙钛矿材料制备而成。
进一步地：所述纳米线由有机-无机复合甲氨基-铅卤钙钛矿材料，有机-无机复合甲胺基-锡卤钙钛矿材料，无机-无机复合铯-铅卤钙钛矿材料或者无机-无机复合铯-锡卤钙钛矿材料中的一种制备而成。
进一步地：所述绝缘介质层的材料为低折射率材料，折射率在1～2之间，所述绝缘介质层的厚度在2nm～50nm之间。
进一步地：所述绝缘介质层的材料为氟化镁、氟化锂或二氧化硅。
进一步地：所述金属薄膜层的材料是可产生表面等离激元的金、银、铝、铜中的任一种。
进一步地：所述基片材料为硅、云母、氧化铝或二氧化硅。
本发明所达到的效果为：
本发明的激光器在模式尺寸和物理尺寸上均可以突破衍射极限，由于钙钛矿材料具有电荷载流子迁移率高和扩散距离长的优点，本发明通过引入该材料，以显著降低表面等离激元纳米线激光器的激发阈值，并能使激光器在温度高于室温的情况下仍能正常工作，同时具有发光波长可调谐、动力学过程超快、结构简单、容易加工的优点。
附图说明
图1是本发明表面等离激元激光器具体实施例的结构示意图。
图2是本发明表面等离激元激光器具体实施例的剖视图。
图中：1基片、2金属薄膜层、3绝缘介质层、4纳米线。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本实施方式的一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，参见图1和图2可知，其包括基片1，位于基片1上的金属薄膜层2，位于金属薄膜层2上的绝缘介质层3和位于绝缘介质层3上的纳米线4；所述基片1为云母，所述金属薄膜层2为100nm厚的银薄膜，所述绝缘介质层为10nm厚的氟化镁，所述纳米线为长6μm、截面面积为100nm×200nm的CH3NH3PbI3钙钛矿纳米线。
激光器在模式尺寸和物理尺寸上均可以突破衍射极限，由于钙钛矿材料具有电荷载流子迁移率高和扩散距离长的优点，本发明通过引入该材料，以显著降低表面等离激元纳米线激光器的激发阈值，在常温常压环境下，采用飞秒激光泵浦下，激光器的激发阈值可低至112.9MWcm2，该激光器最高工作温度可达43.6℃，在可见光范围内输出激光可调谐。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，其特征在于：包括基片，位于基片上的金属薄膜层，位于金属薄膜层上的绝缘介质层和位于绝缘介质层上的纳米线；所述的半导体纳米线由钙钛矿材料制备而成。
2.根据权利要求1所述的一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，其特征在于：所述纳米线由有机-无机复合甲氨基-铅卤钙钛矿材料，有机-无机复合甲胺基-锡卤钙钛矿材料，无机-无机复合铯-铅卤钙钛矿材料或者无机-无机复合铯-锡卤钙钛矿材料中的一种制备而成。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，其特征在于：所述绝缘介质层的材料为低折射率材料，折射率在1～2之间，所述绝缘介质层的厚度在2nm～50nm之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，其特征在于：所述绝缘介质层的材料为氟化镁、氟化锂或二氧化硅。
5.根据权利要求1所述的一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，其特征在于：所述金属薄膜层的材料是可产生表面等离激元的金、银、铝、铜中的任一种。
6.根据权利要求4所述的一种基于钙钛矿纳米线的表面等离激元激光器，其特征在于：所述基片材料为硅、云母、氧化铝或二氧化硅。
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