CN106229811A - 基于金属尖端‑空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器 - Google Patents

基于金属尖端‑空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属尖端‑空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，包括绝缘层以及通过绝缘层相连的增益介质腔体、空气间隙层和金属尖端层，其中：空气间隙层为绝缘层的一道空气槽，设置在绝缘层上边沿的中间位置；增益介质腔体设置在空气间隙层的上方，增益介质腔体的横截面与空气间隙层的横截面通过两个交点相连；金属尖端层设置在空气间隙层的下方，且金属尖端层被绝缘层包裹，金属尖端层横截面的一个尖端与空气间隙层的横截面相交于一点。本发明的能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，能合理平衡能量损耗与局域模限制，方便制造，尺寸更小，阈值更小，综合性能更优。

Description

基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器。
背景技术
近年来，随着纳米技术的发展，器件微型化逐渐成为趋势。人们对纳米世界的深入探索，需要超小、超快的激光器将光的能量集中到亚波长尺寸区域。一般情况下,光作用的结构尺寸大于光波波长时,将产生零级透射衍射波和反射衍射波以及高阶透射和反射衍射波，这就使得光束无法实现亚波长化；而具有体积小、重量轻、容易复制等许多优点的亚波长器件(器件尺寸小于波长)仅有零级的反射衍射波和透射衍射波产生，从而使得采用亚波长衍射光学元件的普通激光器可以实现光束的亚波长化。但是，该器件会使得激光器的损耗有所增大。
相对而言，基于表面等离子体激元(Surface Plasmons，SPs)的纳米激光器用表面等离子体激元替代了受激辐射的光子，虽然工艺较为复杂，但突破了传统光学中衍射极限的瓶颈，实现了激光器的亚波长化，具有较低的损耗和阈值。目前，表面等离子体因其诸多优点而受到广泛的关注，并且被应用于众多方面，这将促进了激光器微型化的发展。
目前主要的纳米激光器有纳米粒子表面等离子体激光器、纳米线表面等离子体激光器、圆柱形金属纳腔面发射纳米激光器、金属介质金属结构纳米激光器等,不同类型的激光器的属性不同，适当的选择结构才能在满足要求的情况下获得性能最佳的纳米激光器。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中能量损耗较大，在室温下实现困难，光场的分布不集中，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的缺陷，提供一种能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，综合性能更优的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，包括绝缘层以及通过绝缘层相连的增益介质腔体、空气间隙层和金属尖端层，其中：
空气间隙层为绝缘层的一道空气槽，设置在绝缘层上边沿的中间位置；增益介质腔体设置在空气间隙层的上方，增益介质腔体的横截面与空气间隙层的横截面通过两个交点相连；金属尖端层设置在空气间隙层的下方，且金属尖端层被绝缘层包裹，金属尖端层横截面的一个尖端与空气间隙层的横截面相交于一点。
进一步地，本发明的增益介质腔体为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构，增益介质腔体的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。
进一步地，本发明的增益介质腔体的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。
进一步地，本发明的空气间隙层的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。
进一步地，本发明的金属尖端层的横截面形状为正方形、三角形、六边形、五边形梯形中任意一种。
进一步地，本发明的金属尖端层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。
进一步地，本发明的增益介质腔体和金属尖端层表面的等离子激元之间能够发生耦合，在绝缘介层中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。
进一步地，本发明的金属尖端层的金属尖角的角度为55至75度。
进一步地，本发明的空气间隙层的宽度为10至20纳米。
进一步地，本发明的空气间隙层的宽度小于增益介质腔体半径的二分之一，金属尖端顶角距其底边的位置大于增益介质腔体的半径，且不大于增益介质腔体直径的2倍。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，通过在绝缘层与增益介质腔体中间添加空气间隙层，使得能量更好的耦合，从而实现了能量损耗的降低，金属尖端层与空气间隙层相交部分采用一个尖角，使得能量更加集中，实现了光场的高局域性，整个结构通过绝缘层连接起来，使得整体结构的阈值降低，能够在室温下正常工作；有效的解决了现有技术中的纳米激光器能量损耗大，在室温下实现困难，光场的分布不集中，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的技术问题，实现了能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，综合性能更优的技术效果。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的立体结构示图；
图2是本发明实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的平面示图；
图3是本发明实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的损耗随空气间隙层的边长l以及金属尖端的角度θ的变化情况；
图4是本发明实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的归一化模式面积随空气间隙层的边长l以及金属尖端的角度θ的变化情况；
图5是本发明实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的阈值随空气间隙层的边长l以及金属尖端的角度θ的变化情况；
图中，1-增益介质腔体，2-空气间隙层，3-绝缘层，4-金属尖端层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，包括绝缘层3以及通过绝缘层3相连的增益介质腔体1、空气间隙层2和金属尖端层4，其中：
空气间隙层2为绝缘层3的一道空气槽，设置在绝缘层3上边沿的中间位置；增益介质腔体1设置在空气间隙层2的上方，增益介质腔体1的横截面与空气间隙层2的横截面通过两个交点相连；金属尖端层4设置在空气间隙层2的下方，且金属尖端层4被绝缘层3包裹，金属尖端层4横截面的一个尖端与空气间隙层2的横截面相交于一点。
增益介质腔体1为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构，增益介质腔体1的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。
增益介质腔体1的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。空气间隙层2的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。金属尖端层4的横截面形状为正方形、三角形、六边形、五边形梯形中任意一种。金属尖端层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。增益介质腔体1和金属尖端层4表面的等离子激元之间能够发生耦合，在绝缘介层3中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。
如图2所示，在本发明的另一个具体实施例中，该激光器包括：增益介质腔体1、空气间隙层2、绝缘层3、金属尖端层4；空气间隙层2位于绝缘层3中间部分，增益介质腔体1位于空气间隙层2上方，边缘与空气间隙层2的两角相接，金属尖端层4位于空气间隙层2的下方，绝缘层3则将增益介质腔体1、空气间隙层2、金属尖端层4连接起来。
其中，金属尖端层4的表面等离子激元和增益介质腔体1在空气间隙层2中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场，绝缘层3能够有效减少等离子激元振荡中的金属热损失。金属尖端层4和增益介质腔体1振荡模的耦合能够将光局域到空气间隙层中。
增益介质腔体1的截面形状为正方形、三角形、五边形、六边形、圆形、椭圆形、梯形中任意一种。作为一种优选的实施例，增益介质腔体1为圆柱形，半径为60纳米。
增益介质腔体1的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。增益介质腔体3为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构。
绝缘层3的材料为MgF2。
金属尖端层4材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。
如图3、图4和图5所示，在本发明的另一个具体实施例中，该激光器在金属尖角的角度为75°时，其损耗和阈值达到最低，其光场局域性处于平均水平，综合性能最好。
空气间隙层为正方形，在正方形空气间槽宽度为20纳米时，综合性能最好，其有效传播损耗平均为0.0196，实现了较低的传播损耗，其归一化模式面积平均能达到0.0196，为深亚波长的光场约束，而限制因子均大50％，实现了良好的能量约束。
增益介质腔体1位于空气间隙层2上方，边缘与空气间隙层2的两角相接，空气间隙层2位于绝缘层3中间部分，金属尖端层4位于空气间隙层2的下方，绝缘层3则将增益介质腔体1、空气间隙层2、金属尖端层4连接起来。
增益介质腔体1选用圆柱形，半径为60纳米，材质为硫化镉，通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构；空气间隙层的截面采用正方形，其宽度为20纳米；绝缘层3采用MgF2材料，折射率的实部为1.38；金属尖端层采用等边三角形，其顶角的角度为75°。
本实施例中的纳米激光器出射激光的波长为489纳米。
实验验证金属尖端层的金属尖角的角度为55至75度之间时效果最佳。空气间隙层的宽度为10至20纳米。空气间隙层的宽度小于增益介质腔体半径的二分之一，金属尖端顶角距其底边的位置大于增益介质腔体的半径，且不大于增益介质腔体直径的2倍。
本发明的技术效果和优点如下：
由于采用了采用金属尖角层4与空气间隙层2接触，有利于形成良好的光场局域性；空气间隙层2采用空气槽，这是因为通过空气槽或使光场更好的耦合进增益介质腔体，降低了激光器的损耗和阈值；采用绝缘层3将这三者连接起来实现了损耗的降低，这是因为金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合导致有相当一部分的电场能量局域在纳米线和金属基底之间的空隙间，绝缘层3在结构中起到一个储存能量的作用，从而可以减少空隙间的能量损耗，使所设计结构能够保持较低的损耗。总体的结构实现了纳米激光器的光场的高局域性和传播的低损耗。这样，有效解决了现有技术中的纳米激光器能量损耗大，在室温下实现困难，光场的分布不集中，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的技术问题，实现了能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，综合性能更优的技术效果。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，包括绝缘层(3)以及通过绝缘层(3)相连的增益介质腔体(1)、空气间隙层(2)和金属尖端层(4)，其中：
空气间隙层(2)为绝缘层(3)的一道空气槽，设置在绝缘层(3)上边沿的中间位置；增益介质腔体(1)设置在空气间隙层(2)的上方，增益介质腔体(1)的横截面与空气间隙层(2)的横截面通过两个交点相连；金属尖端层(4)设置在空气间隙层(2)的下方，且金属尖端层(4)被绝缘层(3)包裹，金属尖端层(4)横截面的一个尖端与空气间隙层(2)的横截面相交于一点。
2.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，增益介质腔体(1)为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构，增益介质腔体(1)的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，增益介质腔体(1)的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。
4.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，空气间隙层(2)的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。
5.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，金属尖端层(4)的横截面形状为正方形、三角形、六边形、五边形梯形中任意一种。
6.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，金属尖端层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。
7.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，增益介质腔体(1)和金属尖端层(4)表面的等离子激元之间能够发生耦合，在绝缘介层(3)中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。
8.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，金属尖端层(4)的金属尖角的角度为55至75度。
9.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，空气间隙层(2)的宽度为10至20纳米。
10.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，空气间隙层(2)的宽度小于增益介质腔体(1)半径的二分之一，金属尖端顶角距其底边的位置大于增益介质腔体(1)的半径，且不大于增益介质腔体(1)直径的2倍。
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