CN106785917A - 基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器 - Google Patents

基于二硫化钼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二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，包括：半导体纳米线、上SiO2层、MoS2层、下SiO2层、金属纳米线以及包裹金属纳米线的SiO2层，其中：上SiO2层和下SiO2层的横向中间位置均设置有空气槽，上SiO2层和下SiO2层之间被MoS2层间隔；半导体纳米线位于上SiO2层之上，并与上SiO2层横向中间位置的空气槽通过两个交点相连；金属纳米线位于下SiO2层下方，且包裹在SiO2层内部，金属纳米线与下SiO2层横向中间部分的空气槽通过一个交点相连。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

基于二硫化钼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，尤其涉及一种基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器。
背景技术
激光被认为是20世纪最重要的发明之一，20世纪六十年代美国人梅曼首先发明了世界上第一台红宝石固体激光器。经过半个多世纪的发展与进步，激光器的发展方向正朝着微型化体积、更快调制和传播速度、更大功率、损耗更低等方向飞速发展。在2003年以前，由于制备工艺的限制和科学理论的不成熟，激光器的尺寸很难继续缩小并突破衍射极限。现如今微纳技术逐步成熟，随之而来激光器的空间尺寸再不断缩小，已经步入到微米量级甚至纳米量级的时代。但是由于传统激光器采用的是光学反馈系统，所以衍射极限一直是其难以突破的瓶颈。器件谐振腔长尺寸则至少是其入射波长的一半，也就是说微型化和集成化很难实现。
表面等离子体也因其在衍射极限下展示出优良的限制、传导光的能力，吸引着越来越多的关注。基于表面等离子体激元的纳米激光器则可以实现深亚波长甚至纳米波长的辐射发光，这使得激光器的微型化成为可能，然而设计高性能的基于表面等离子体波导的纳米激光器存在着模场局域性和损耗的矛盾问题，即获得局域性好的模场分布则会存在较大的传输损耗，保持较低的传输损耗又会导致模场的局域性差。近些年来，混合表面等离子体波导结构的提出在一定程度上实现了高局域性模场分布和低损耗传输的共存，在混合表面等离子体波导中，表面等离子体模式和介质波导模式在低折射率间隙中相互耦合，使得这层间隙起到了储存能量的作用，这在促使了减小传输损耗的同时增强了光场的局域性。目前，诸多研究小组对混合表面等离子体波导结构进行了研究，并且获得一定成效，但是该结构仍然有一定的提升空间，尤其石墨烯、二硫化钼等材料的出现，促使该结构性能的进一步提升。
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，模式场分布不集中，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的缺陷，提供了一种能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，综合性能更优的基于二硫化钼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二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，包括：半导体纳米线、上SiO2层、MoS2层、下SiO2层、金属纳米线以及包裹金属纳米线的SiO2层，其中：
上SiO2层和下SiO2层的横向中间位置均设置有空气槽，上SiO2层和下SiO2层之间被MoS2层间隔；半导体纳米线位于上SiO2层之上，并与上SiO2层横向中间位置的空气槽通过两个交点相连；金属纳米线位于下SiO2层下方，且包裹在SiO2层内部，金属纳米线与下SiO2层横向中间部分的空气槽通过一个交点相连。
进一步地，本发明的半导体纳米线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，本发明的半导体纳米线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，本发明的金属纳米线材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。
进一步地，本发明的上SiO2层、MoS2层和下SiO2层组成间隔层，间隔层用于隔开半导体纳米线和金属纳米线。
进一步地，本发明的半导体纳米线和金属纳米线表面的等离子激元之间能够发生耦合，在间隔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，本发明的半导体纳米线和金属纳米线的半径比值在0.8到1.2之间。
进一步地，本发明的上SiO2层和下SiO2层的横向中间的空气部分的宽度为半导体纳米线半径的0.1到0.4倍。
进一步地，本发明的激光器的尺寸为纳米级。
本发明产生的有益效果是：本发明的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，通过在设计中半导体纳米线金属纳米线均采用圆柱形，形成了良好的模式局域性；在金属纳米线与半导体纳米线加入空气槽和新材料MoS2可以降低损耗，这是因为金属界面的表面等离子体模式与半导体纳米线波导模式耦合导致部分电场能量局域在纳米线和金属基底之间的空隙间，空气槽可以起到储存能量的作用，最终实现纳米激光器模式的高局域性和传播的低损耗。解决了目前激光器中损耗与模式局域性不能同时优化的问题，实现了激光器综合性能的提升。
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二硫化钼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二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器的平面示图；
图中，1-半导体纳米线，2-上SiO2层，3-MoS2层，4-下SiO2层，5-金属纳米线，6-SiO2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、2所示，本发明实施例的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，包括：半导体纳米线1、上SiO2层2、MoS2层3、下SiO2层4、金属纳米线5以及包裹金属纳米线5的SiO2层6，其中：
上SiO2层2和下SiO2层4的横向中间位置均设置有空气槽，上SiO2层2和下SiO2层4之间被MoS2层3间隔；半导体纳米线1位于上SiO2层2之上，并与上SiO2层2横向中间位置的空气槽通过两个交点相连；金属纳米线5位于下SiO2层4下方，且包裹在SiO2层6内部，金属纳米线5与下SiO2层4横向中间部分的空气槽通过一个交点相连。
半导体纳米线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。
半导体纳米线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。金属纳米线材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。
上SiO2层2、MoS2层3和下SiO2层4组成间隔层，间隔层用于隔开半导体纳米线1和金属纳米线5。
半导体纳米线1和金属纳米线5表面的等离子激元之间能够发生耦合，在间隔层中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。SiO2层6能够有效减少等离子激元振荡中的金属热损失。半导体纳米线1和金属纳米线5纵向的中间部分的间隔层则使模式场局域在了间隔层部分，MoS2层的使得激光器的损耗下降，从而促进整体性能的提升。
半导体纳米线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80纳米，材料选为硫化镉。
金属纳米线5材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。
该激光器在上SiO2层的厚度和下SiO2层的厚度为5纳米，其损耗和阈值达到最低。
半导体纳米线材质为硫化镉，通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构；金属纳米线的半径为80纳米，材质为银，其综合性能最好。该结构具有较高的模式局域性，其品质因子能均能达到400以上，最高能可达到1300，归一化模式面积均小于0.1，实现了光场的深亚波长约束；其激光器的损耗较低，有效传播损耗均小于0.05，阈值均小于1.4/微米，最小阈值只有0.22/微米。
本实施例中的纳米激光器出射激光的波长为489纳米。
本发明的技术效果和优点如下：
设计中金属部分和半导体增益部分均采用圆柱形，有利于形成良好的模式局域性；在金属纳米线与半导体纳米线加入空气槽和新材料MoS2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半导体纳米线波导模式耦合导致部分电场能量局域在纳米线和金属基底之间的空隙间，空气槽可以起到储存能量的作用，最终的纳米激光器的结构实现了纳米激光器的模式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，模式的分布不集中，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 (9)

1.一种基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，包括：半导体纳米线(1)、上SiO2层(2)、MoS2层(3)、下SiO2层(4)、金属纳米线(5)以及包裹金属纳米线(5)的SiO2层(6)，其中：
上SiO2层(2)和下SiO2层(4)的横向中间位置均设置有空气槽，上SiO2层(2)和下SiO2层(4)之间被MoS2层(3)间隔；半导体纳米线(1)位于上SiO2层(2)之上，并与上SiO2层(2)横向中间位置的空气槽通过两个交点相连；金属纳米线(5)位于下SiO2层(4)下方，且包裹在SiO2层(6)内部，金属纳米线(5)与下SiO2层(4)横向中间部分的空气槽通过一个交点相连。
2.根据权利要求1所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，半导体纳米线(1)为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构，半导体纳米线(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所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，半导体纳米线(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所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，金属纳米线(5)材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。
5.根据权利要求1所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，上SiO2层(2)、MoS2层(3)和下SiO2层(4)组成间隔层，间隔层用于隔开半导体纳米线(1)和金属纳米线(5)。
6.根据权利要求5所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，半导体纳米线(1)和金属纳米线(5)表面的等离子激元之间能够发生耦合，在间隔层中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。
7.根据权利要求1所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，半导体纳米线(1)和金属纳米线(5)的半径比值在0.8到1.2之间。
8.根据权利要求1所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，上SiO2层(2)和下SiO2层的横向中间的空气部分的宽度为半导体纳米线(1)半径的0.1到0.4倍。
9.根据权利要求1所述的基于二硫化钼的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，该激光器的尺寸为纳米级。
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