CN107112720B - 基于光子晶体的柔性激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体的柔性激光器及其制备方法。该柔性激光器包括位于该柔性激光器内部的L3型光子晶体薄板和包裹该L3型光子晶体薄板的柔性材料层；所述L3型光子晶体薄板包括位于所述L3型光子晶体薄板中心的缺陷区和形成在所述缺陷区外围的孔洞区，所述孔洞区包括多个大小均匀、且垂直贯穿所述L3型光子晶体薄板的孔洞，所述缺陷区的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，且所述L3光子晶体薄板包括依次叠层设置的第一保护层、第一涂层、发光层、第二涂层、第二保护层。该柔性激光器不仅从而实现了激光器件的小型化，而且实现了激光器的柔性化，使其结构参数可调，输出特性可调。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种基于光子晶体的柔性激光器及其制备方法。
背景技术
激光器在科学研究，医疗，军事，工程建造等各个领域具有广泛而重要的应用。随着社会的发展及科技的进步，为了拓宽激光器的应用范围，增强其耐用性，人们对于具有效率高、环境友好、柔性可拉伸等优点的新型激光器的需求逐渐增加。
近年来，柔性电子学得到了极大的发展。市面上出现的柔性显示器、可穿戴电子等面向于消费级别的电子产品日趋丰富与成熟。然而，柔性光子或光电子器件仍处于起步阶段。目前学界所研发的小型激光器主要是生长在非柔性的半导体衬底上，单个激光器器件的尺度也从几十纳米到几百微米不等。2006年，由美国加州理工Zhaoyu Zhang研究小组提出并实验完成了基于L3缺陷光子晶体激光器设计。该激光器是在III-V族外延片经过刻蚀等加工工艺制作而成的。激光器最小特征尺寸在70nm，总体尺寸在几个微米。在可见光频谱范围内实现了670nm附近的红光的单峰激射，并且激射波长可以通过改变结构参数实现在670nm附近范围内移动。然而由于激光器固定在非柔性衬底上，只能通过单次结构参数设计来实现某一波长的激射，而且设计之后结构参数即固定不可改变。
目前，微纳级的激光器的制备大多通过对半导体衬底材料进行加工，从而形成所需的器件结构，因此激光器制作出来之后，均固定于衬底材料上，它的器件尺寸和构型均无法调整。同时激光器多采用诸如分布式反馈型、纳米线型、各种基于回音壁模式的纳米圆盘、圆环以及多边形的激光谐振腔设计。这些器件具有谐振腔较大，谐振模式较多且不易操控的特点，并由此造成较大模式体积和较低品质因子等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于光子晶体的柔性激光器及其制备方法，旨在解决现有激光器的结构参数不可调整、模式体积大、品质因子低的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面，提供一种基于光子晶体的柔性激光器，所述柔性激光器包括位于所述柔性激光器内部的L3型光子晶体薄板和包裹所述L3型光子晶体薄板的柔性材料层；所述L3型光子晶体薄板包括位于所述L3型光子晶体薄板中心的缺陷区和形成在所述缺陷区外围的孔洞区，所述孔洞区包括多个大小均匀、且垂直贯穿所述L3型光子晶体薄板的孔洞，所述缺陷区的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，且所述L3光子晶体薄板包括依次叠层设置的第一保护层、第一涂层、发光层、第二涂层、第二保护层。
本发明提供的基于光子晶体的柔性激光器，其主要通过纳米技术与柔性技术相结合，从而实现了激光器件的小型化；同时L3型光子晶体薄板被包裹在柔性材料中，实现了激光器的柔性化，使其结构参数可调，输出特性可调，其产生的技术效果显著优于现有技术。本发明的柔性激光器可以作为短距离高速光通信用集成光芯片中的光源，也可以用于柔性电子和可穿戴电子器件中的传感器件，还可以作为生物传感器用于生物的化学成分探测以及光谱成像等领域，具有广泛的应用前景。
本发明另一方面，提供一种上述基于光子晶体的柔性激光器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
提供外延片和柔性材料；
在所述外延片上依次生成第一保护层、第一涂层、发光层、第二涂层、第二保护层，且所述第一保护层、所述第一涂层、所述发光层、所述第二涂层和所述第二保护层组成预制薄板；
对所述预制薄板按照L3缺陷设计加工形成L3型光子晶体薄板；
将所述柔性材料熔融成液态柔性材料后，涂于所述L3型光子晶体薄板上，待所述液态柔性材料凝固后形成柔性材料层，剥离所述外延片，得到柔性激光器。
本发明提供的柔性激光器的制备方法，直接在事先设计的外延片上经过电子束曝光、电感耦合等激活离子体刻蚀、氧化和腐蚀等工艺步骤生成L3型光子晶体薄板，并用柔性材料经液化-涂覆-凝固后，机械式地从外延片取下来L3型光子晶体薄板，从而实现衬底转移；其工艺简单，易于操作和实现，且该制备方法获得的柔性激光器不仅实现了激光器件的小型化，同时实现了激光器的柔性化，使其结构参数可调，输出特性可调。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性激光器的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例提供的柔性激光器中的L3型光子晶体薄板在III-V族外延片上的结构示意图；
其中，附图标记说明如下：
1：L3型光子晶体薄板；
10：孔洞区；
101：第一孔洞；
102：第二孔洞；
103：第三孔洞；
104：第四孔洞；
11：第二保护层；
12：第二涂层；
121：P型InAlGaP层；
122：第二U型InAlGaP层；
13：发光层；
14：第一涂层；
141：第一U型InAlGaP层；
142：N型InAlGaP层；
15：第一保护层；
16：缺陷区；
2：柔性材料层；
3：N型AlGaAs牺牲层；
4：N型GaAs缓冲层；
5：N型GaAs衬底或硅衬底。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一方面，本发明实施例提供了一种基于光子晶体的柔性激光器，其结构如图1和图2所示。该柔性激光器包括位于柔性激光器内部的L3型光子晶体薄板1和包裹L3型光子晶体薄板1的柔性材料层2；该L3型光子晶体薄板1包括位于L3型光子晶体薄板1中心的缺陷区16和形成在缺陷区16外围的孔洞区10，孔洞区10包括多个大小均匀、且垂直贯穿L3型光子晶体薄板1的孔洞(图未标注)，缺陷区16的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，对应三个平行设置的孔洞所形成的孔洞区域大小，且该L3光子晶体薄板1包括依次叠层设置的第一保护层15、第一涂层14、发光层13、第二涂层12、第二保护层11。
本发明提供的基于光子晶体的柔性激光器，其主要通过纳米技术与柔性技术相结合，从而实现了激光器件的小型化；同时L3型光子晶体薄板1被包裹在柔性材料层2中，实现了激光器的柔性化，使其结构参数可调，输出特性可调，其产生的技术效果显著优于现有技术。本发明的柔性激光器可以作为短距离高速光通信用集成光芯片中的光源，也可以用于柔性电子和可穿戴电子器件中的传感器件，还可以作为生物传感器用于生物的化学成分探测以及光谱成像等领域，具有广泛的应用前景。
优选的，本实施例柔性发光器中的L3型光子晶体薄板1的厚度范围为180nm-200nm，且该柔性激光器的厚度范围为2μm-3μm。在本发明实施例提供的上述厚度参数范围内，该柔性激光器小型化达到最佳；L3型光子晶体薄板1的厚度优选180nm，柔性激光器的厚度优选2μm，在该条件下，不仅L3型光子晶体薄板1的纳米尺寸具有更好的发光性能，而且柔性激光器的柔性达到最好，即该柔性激光器的综合性能达到最佳。
优选的，本实施例柔性发光器中的L3型光子晶体薄板1的周期T范围为0.14μm-0.18μm，孔洞的半径范围为0.25T-0.29T。周期T即指孔洞区10中的距离均匀的多个孔洞中相邻两个孔洞的孔心之间的间距。在本发明实施例提供的周期T和孔洞半径的参数范围形成的柔性激光器更容易形成光子间隙；该L3型光子晶体薄板中的谐振腔长与发射波长相近，这样缩小了激光的模式体积，提高了品质因子，因而显著提高柔性激光器的发光性能。
优选的，孔洞区10设有与缺陷区16在同一直线、且与缺陷区16两端的第一孔洞101、第二孔洞102，第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4.4T；孔洞区10还设有与缺陷区16在同一直线、且与第一孔洞101相邻的第三孔洞103，以及与缺陷区16在同一直线、且与第二孔洞102相邻的第四孔洞104，第一孔洞101和第三孔洞103的两孔中心距为0.8T，第二孔洞102和第四孔洞104的两孔中心距为0.8T。光子晶体L3缺陷是指在光子晶体图形中心取消三个孔洞，根据该L3缺陷设计原理，本实施例中：L3光子晶体薄板1上在均匀布置多个孔洞时，在缺陷区16两端的第一孔洞101、第二孔洞102的预先设定的孔洞位点(孔洞位点即在预制薄板上加工生成孔洞时，预制薄板上原始设计的准备用于生成孔洞的位置)，分别远离中心部位进行位移设置第三孔洞103和第四孔洞104，位移量为0.2T，进而形成本实施例中第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距的具体距离1.4T、第一孔洞101和第三孔洞103的两孔中心距的具体距离0.8T，以及第二孔洞102和第四孔洞104的两孔中心距的具体距离0.8T。两孔中心距即指相邻两个孔洞的孔心之间的距离。
或者，在孔洞区10设有与缺陷区16在同一直线、且位于缺陷区16两端的第一孔洞101和第二孔洞102不进行位移，即第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4T，此时第一孔洞101和第三孔洞103的两孔中心距为T，以及第二孔洞102和第四孔洞104的两孔中心距为T；但第一孔洞101和第二孔洞102的半径进行扩大或缩小，即第一孔洞101和第二孔洞102的半径为孔洞区10中其他孔洞半径的0.8-1.2倍，且第一孔洞101和第二孔洞102的半径与孔洞区10中其他孔洞半径不相等。以上方案和进行位移的方案都可达到相同效果，即进一步提高光子晶体薄板1的发光性能。
当然，本发明实施例中，还可以既保持第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4.4T(即进行位移量为0.2T的位移)，同时对第一孔洞101和第二孔洞102的半径做相对孔洞区10中其他孔洞半径的0.8-1.2倍的调整，但与其他孔洞半径不相等；这样，光子晶体薄板1的发光性能达到最佳。
优选地，本实施例柔性发光器中的柔性材料2包括PMDS、PET、PEN、PEEK、PES、PAR、PCO、PNB和PI中的至少一种，该柔性材料2优选PMDS。柔性材料2可以为半结晶热塑性聚合物，如PMDS(聚二甲基硅氧烷)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)和PEEK(聚醚醚酮)。PET和PEN作为柔性材料2展现了一些重要的特性，包括固有的良好透明性，简单的加工过程，良好的力学性能，较高的阻隔氧气和水汽渗透性能，但是其不耐高温，低温沉积ITO(氧化铟锡)时，器件性能降低。柔性材料2还可以为非结晶聚合物，如PES(聚醚砜)。PES可熔融挤压或溶剂注造，它有良好的透明度和较高的工作上限温度，但是价格昂贵，耐溶剂性差。柔性材料2还可以为非结晶高玻璃化转变温度(Tg)聚合物，如PAR(聚芳酯)、PCO、PNB(对硝基苯甲酸)和PI(聚酰亚胺)，PI具有良好的热稳定性，较好的力学性能和化学性能，但是透明度低，价格也比较贵；另外，部分织物材料也可以用来作为柔性材料层2，而PMDS是其中最优选的材料。
在本发明实施例的柔性发光器中，光子晶体薄板1可以用III-V族半导体材料(例如，由铝、镓、铟、铊元素和素氮、磷、砷、锑、铋元素组成的化合物)制成，或用II-VI族半导体材料(例如，由锌、镉、汞元素和氧、硫、硒、碲元素组成的化合物)制成，亦或用IV族半导体材料(如硅材料，碳有机材料等)制成，并且，光子晶体薄板的平面结构设计(如周期，半径，孔位移)需根据采用的半导体材料的荧光谱特性在本发明实施例公开的周期，半径，孔位移范围内进行调整。在本发明实施例中，光子晶体薄板1优选为III-V族半导体材料制成。
具体地，本实施例柔性发光器中的第一保护层15为N型InGaP(磷化镓铟)层，且该N型InGaP层的厚度为10-20nm；第二保护层11为P型InGaP层，且该P型InGaP层的厚度为10-20nm。N型InGaP层用硅参杂，P型InGaP层用锌参杂，该两层保护层，可有效保护光子晶体薄板1内部被氧化，防止其被外部干扰。优选地，N型InGaP层和P型InGaP层的厚度为10nm时，其保护性能达到最佳。
具体地，本实施例柔性发光器中的第一涂层14包括叠层设置的N型InAlGaP(磷化镓铝铟)层142和第一U型InAlGaP层141，且N型InAlGaP层142与第一保护层15相邻，N型InAlGaP层142的厚度范围为30nm-40nm，第一U型InAlGaP层141的厚度范围为28nm-38nm；第二涂层12包括叠层设置的P型InAlGaP层121和第二U型InAlGaP层122，P型InAlGaP层121与第二保护层11相邻，且P型InAlGaP层121的厚度范围为20nm-30nm，第二U型InAlGaP层122的厚度范围为38nm-48nm。N型InAlGaP层142用硅参杂，P型InAlGaP层121用锌参杂，且第一U型InAlGaP层141和第二U型InAlGaP层122不参杂的本真层。第一涂层14和第二涂层12用于对柔性激光器中的光场限制作用，本实施例中，N型InAlGaP层142的厚度优选30nm，第一U型InAlGaP层141的厚度优选28nm；P型InAlGaP层121的厚度优选20nm，第二U型InAlGaP层122的厚度优选38nm，使其光场限制作用达到最佳。
具体地，本实施例柔性发光器中的发光层13包括叠层设置的至少一层U型InGaP量子阱层和至少两层U型InAlGaP间隔层，且U型InAlGaP间隔层设置于U型InGaP量子阱层之间以及U型InGaP量子阱层与第一U型InAlGaP层和所述第二U型InAlGaP层之间；U型InGaP量子阱层的厚度为7-17nm，所述U型InAlGaP间隔层的厚度为10-20nm。本实施例中，优选2层U型InGaP量子阱层和3层U型InAlGaP间隔层，U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开，且U型InGaP量子阱层的厚度优选7nm，U型InAlGaP间隔层的厚度优选10nm。在该层数和厚度范围内，本实施例的柔性发光器的发光性能达到最佳。
另一方面，本发明实施例还提供了上述柔性激光器的制备方法，该制备方法中，L3型光子晶体薄板先生长在III-V族外延片上，如图2所示。该制备方法包括如下步骤：
S01：提供外延片和柔性材料；
S02：在上述III-V族外延片上依次生成第一保护层15、第一涂层14、发光层13、第二涂层12、第二保护层11，且该第一保护层15、第一涂层14、发光层13、第二涂层12和第二保护层11组成预制薄板；
S03：对上述预制薄板按照L3缺陷设计加工形成L3型光子晶体薄板1；
S04：将上述柔性材料熔融成液态柔性材料后，涂于L3型光子晶体薄板1上，待液态柔性材料凝固后形成柔性材料层2，剥离外延片，得到柔性激光器。
本发明提供的柔性激光器的制备方法，直接在事先设计的外延片上经过电子束曝光、刻蚀、氧化和腐蚀等工艺步骤加工生成L3型光子晶体薄板，并用柔性材料先液化涂覆再凝固上机械式地从外延片取下来，进行衬底转移；其工艺简单，易于操作和实现，且该制备方法获得的柔性激光器不仅实现了激光器件的小型化，同时实现了激光器的柔性化，使其结构参数可调，输出特性可调。
具体地，在上述步骤S01中，外延片可以由III-V族半导体材料或II-VI族半导体材料制成，在本发明实施例中，优选III-V族半导体材料。由III-V族半导体材料制成的III-V族外延片包括从下到上依次层叠设置的N型GaAs(砷化镓)衬底3、N型GaAs缓冲层4和N型AlGaAs(铝砷化镓)牺牲层5，且N型GaAs衬底3的厚度范围为1-2μm，N型GaAs缓冲层4的厚度为100nm，N型AlGaAs牺牲层3的厚度为700nm。与此同时，N型GaAs衬底3也可以换成硅衬底。
III-V族外延片是由在化学周期表里三价元素(例如铝、镓、铟、铊)以及五价元素(例如氮、磷、砷、锑、铋)组成半导体材料制成的外延片，本实施例中的N型GaAs缓冲层4和N型AlGaAs(铝砷化镓)牺牲层5用硅参杂，且在该优选的厚度条件下，L3型光子晶体薄板1不仅易于生长在该III-V族外延片上，而且更有益于实现L3型光子晶体薄板1的衬底转移；液态柔性材料后涂于上述III-V族外延片上生长的L3型光子晶体薄板1的一面后，其渗入III-V族外延片和L3型光子晶体薄板1之间，这样，等液态柔性材料凝固后，形成的柔性材料层2完全包裹L3型光子晶体薄板1。
具体地，在上述步骤S02中，III-V族外延片上依次生成第一保护层15、第一涂层14、发光层13、第二涂层12、第二保护层11，每形成一层功能层都经过电子束曝光、电感耦合等激活离子体刻蚀、氧化和腐蚀加工工艺。这些都是本技术领域的常规选择，在此不做阐述。
具体地，在上述步骤S03中，光子晶体L3缺陷设计思路是指在光子晶体图形中心取消三个孔洞，根据该L3缺陷设计原理，本方法中，在预制薄板上加工形成大小均匀、且垂直贯穿薄板的多个孔洞时，在缺陷区16两端的第一孔洞101和第二孔洞102的预定孔洞位点，分别远离中心部位进行位移加工成第三孔洞103以及第四孔洞104，位移量为0.2T。或者，第一孔洞101和第二孔洞102不进行位移，即第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4T，但第一孔洞101和第二孔洞102的半径进行扩大或缩小，即第一孔洞101和第二孔洞102的半径为孔洞区10中其他孔洞半径的0.8-1.2倍，但与其他孔洞半径不相等。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种柔性激光器，该柔性激光器的厚度2μm，其包括位于柔性激光器内部的180nmL3型光子晶体薄板1和包裹该L3型光子晶体薄板1的PDMS柔性材料层2；该L3型光子晶体薄板1包括位于L3型光子晶体薄板1中心的缺陷区16和形成在缺陷区16外围的孔洞区10，孔洞区10包括多个大小均匀、且垂直贯穿L3型光子晶体薄板1的孔洞，缺陷区16的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，该L3型光子晶体薄板1的周期T为0.14μm，孔洞的半径为0.25T；孔洞区10设有与缺陷区16在同一直线、且与缺陷区16两端的第一孔洞101、第二孔洞102，第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4.4T；孔洞区10还设有与缺陷区16在同一直线、且与第一孔洞101相邻的第三孔洞103，以及与缺陷区16在同一直线、且与第二孔洞102相邻的第四孔洞104，第一孔洞101和第三孔洞103的两孔中心距为0.8T，第二孔洞102和第四孔洞104的两孔中心距为0.8T。
且该L3型光子晶体薄板1包括依次叠层设置的10nm N型InGaP层15、30nm N型InAlGaP层142、28nm第一U型InAlGaP层141、2层7nm U型InGaP量子阱层和3层10nm U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、38nm第二U型InAlGaP层122、20nm P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11。
实施例2
一种柔性激光器，该柔性激光器的厚度3μm，其包括位于柔性激光器内部的200nmL3型光子晶体薄板1和包裹该L3型光子晶体薄板1的PDMS柔性材料层2；该L3型光子晶体薄板1包括位于L3型光子晶体薄板1中心的缺陷区16和形成在缺陷区16外围的孔洞区10，孔洞区10包括多个大小均匀、且垂直贯穿L3型光子晶体薄板1的孔洞，缺陷区16的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，该L3型光子晶体薄板1的周期T为0.18μm，孔洞的半径为0.29T；孔洞区10设有与缺陷区16在同一直线、且与缺陷区16两端的第一孔洞101、第二孔洞102，第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4.4T；孔洞区10还设有与缺陷区16在同一直线、且与第一孔洞101相邻的第三孔洞103，以及与缺陷区16在同一直线、且与第二孔洞102相邻的第四孔洞104，第一孔洞101和第三孔洞103的两孔中心距为0.8T，第二孔洞102和第四孔洞104的两孔中心距为0.8T。
且该L3型光子晶体薄板1包括依次叠层设置的10nm N型InGaP层15、30nm N型InAlGaP层142、28nm第一U型InAlGaP层141、2层7nm U型InGaP量子阱层和3层10nm U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、38nm第二U型InAlGaP层122、20nm P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11。
实施例3
一种柔性激光器，该柔性激光器的厚度2μm，其包括位于柔性激光器内部的190nmL3型光子晶体薄板1和包裹该L3型光子晶体薄板1的PDMS柔性材料层2；该L3型光子晶体薄板1包括位于L3型光子晶体薄板1中心的缺陷区16和形成在缺陷区16外围的孔洞区10，孔洞区10包括多个大小均匀、且垂直贯穿L3型光子晶体薄板1的孔洞，缺陷区16的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，该L3型光子晶体薄板1的周期T为0.16μm，孔洞的半径为0.26T；孔洞区10设有与缺陷区16在同一直线、且与缺陷区16两端的第一孔洞101、第二孔洞102，第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4.4T；孔洞区10还设有与缺陷区16在同一直线、且与第一孔洞101相邻的第三孔洞103，以及与缺陷区16在同一直线、且与第二孔洞102相邻的第四孔洞104，第一孔洞101和第三孔洞103的两孔中心距为0.8T，第二孔洞102和第四孔洞104的两孔中心距为0.8T。
且该L3型光子晶体薄板1包括依次叠层设置的10nm N型InGaP层15、30nm N型InAlGaP层142、28nm第一U型InAlGaP层141、2层7nm U型InGaP量子阱层和3层10nm U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、38nm第二U型InAlGaP层122、20nm P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11。
实施例4
一种柔性激光器，该柔性激光器的厚度2μm，其包括位于柔性激光器内部的180nmL3型光子晶体薄板1和包裹该L3型光子晶体薄板1的PDMS柔性材料层2；该L3型光子晶体薄板1包括位于L3型光子晶体薄板1中心的缺陷区16和形成在缺陷区16外围的孔洞区10，孔洞区10包括多个大小均匀、且垂直贯穿L3型光子晶体薄板1的孔洞，缺陷区16的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，该L3型光子晶体薄板1的周期T为0.16μm，孔洞的半径为0.26T；孔洞区10设有与缺陷区16在同一直线、且与缺陷区16两端的第一孔洞101、第二孔洞102，第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4T；第一孔洞101和第二孔洞102的半径为孔洞区10中其他孔洞半径的0.8倍。
且该L3型光子晶体薄板1包括依次叠层设置的10nm N型InGaP层15、30nm N型InAlGaP层142、28nm第一U型InAlGaP层141、2层7nm U型InGaP量子阱层和3层10nm U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、38nm第二U型InAlGaP层122、20nm P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11。
实施例5
一种柔性激光器，该柔性激光器的厚度2μm，其包括位于柔性激光器内部的180nmL3型光子晶体薄板1和包裹该L3型光子晶体薄板1的PDMS柔性材料层2；该L3型光子晶体薄板1包括位于L3型光子晶体薄板1中心的缺陷区16和形成在缺陷区16外围的孔洞区10，孔洞区10包括多个大小均匀、且垂直贯穿L3型光子晶体薄板1的孔洞，缺陷区16的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，该L3型光子晶体薄板1的周期T为0.14μm，孔洞的半径为0.25T；孔洞区10设有与缺陷区16在同一直线、且与缺陷区16两端的第一孔洞101、第二孔洞102，第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4.4T；孔洞区10还设有与缺陷区16在同一直线、且与第一孔洞101相邻的第三孔洞103，以及与缺陷区16在同一直线、且与第二孔洞102相邻的第四孔洞104，第一孔洞101和第三孔洞103的两孔中心距为0.8T，第二孔洞102和第四孔洞104的两孔中心距为0.8T；同时，第一孔洞101和第二孔洞102的半径为孔洞区10中其他孔洞半径的1.2倍。
且该L3型光子晶体薄板1包括依次叠层设置的10nm N型InGaP层15、30nm N型InAlGaP层142、28nm第一U型InAlGaP层141、2层7nm U型InGaP量子阱层和3层10nm U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、38nm第二U型InAlGaP层122、20nm P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11。
实施例6
上述实施例1、实施例2和实施例3的柔性激光器的制备方法为：
S11：提供III-V族外延片和PDMS柔性材料。
该III-V族外延片包括从下到上依次层叠设置的1-2μm N型GaAs衬底或硅衬底3、100nm N型GaAs缓冲层4和700nm N型AlGaAs牺牲层5。
S12：在上述III-V族外延片上依次生成N型InGaP层15、N型InAlGaP层142、第一U型InAlGaP层141、2层U型InGaP量子阱层和3层U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、第二U型InAlGaP层122、P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11以组成预制薄板；每形成一层功能层都经过电子束曝光、电感耦合激活离子体刻蚀、氧化和腐蚀加工工艺。
S13：对上述预制薄板按照L3缺陷设计原理加工形成L3型光子晶体薄板1。
L3缺陷设计为：在预制薄板上加工形成大小均匀、且垂直贯穿薄板的多个孔洞时，在缺陷区16两端的第一孔洞101和第二孔洞102的预定孔洞位点，分别远离中心部位进行位移加工成第三孔洞103以及第四孔洞104，位移量为0.2T。
S14：将PDMS柔性材料原料熔融配制成液态PDMS柔性材料后，涂于上述L3型光子晶体薄板1上，待液态柔性材料凝固后形成柔性材料层2，剥离III-V族外延片，得到柔性激光器。
实施例7
上述实施例4的柔性激光器的制备方法为：
S21：提供III-V族外延片和PDMS柔性材料。
该III-V族外延片包括从下到上依次层叠设置的1-2μm N型GaAs衬底或硅衬底3、100nm N型GaAs缓冲层4和700nm N型AlGaAs牺牲层5。
S22：在上述III-V族外延片上依次生成N型InGaP层15、N型InAlGaP层142、第一U型InAlGaP层141、2层U型InGaP量子阱层和3层U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、第二U型InAlGaP层122、P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11以组成预制薄板；每形成一层功能层都经过电子束曝光、电感耦合激活离子体刻蚀、氧化和腐蚀加工工艺。
S23：对上述预制薄板按照L3缺陷设计原理加工形成L3型光子晶体薄板1。
L3缺陷设计为：在预制薄板上加工形成大小均匀、且垂直贯穿薄板的多个孔洞时，在缺陷区16两端的第一孔洞101和第二孔洞102的两孔中心距为4T，即第一孔洞101和第二孔洞102不进行位移，但第一孔洞101和第二孔洞102的半径缩小，为孔洞区10中其他孔洞半径的0.8倍。
S24：将PDMS柔性材料原料熔融配制成液态PDMS柔性材料后，涂于上述L3型光子晶体薄板1上，待液态柔性材料凝固后形成柔性材料层2，剥离III-V族外延片，得到柔性激光器。
实施例8
上述实施例5的柔性激光器的制备方法为：
S31：提供III-V族外延片和PDMS柔性材料。
该III-V族外延片包括从下到上依次层叠设置的1-2μm N型GaAs衬底或硅衬底3、100nm N型GaAs缓冲层4和700nm N型AlGaAs牺牲层5。
S32：在上述III-V族外延片上依次生成N型InGaP层15、N型InAlGaP层142、第一U型InAlGaP层141、2层U型InGaP量子阱层和3层U型InAlGaP间隔层组成的发光层13(U型InAlGaP间隔层将U型InGaP量子阱层间隔错开)、第二U型InAlGaP层122、P型InAlGaP层121以及10nm P型InGaP层11以组成预制薄板；每形成一层功能层都经过电子束曝光、电感耦合激活离子体刻蚀、氧化和腐蚀加工工艺。
S33：对上述预制薄板按照L3缺陷设计原理加工形成L3型光子晶体薄板1。
L3缺陷设计为：在预制薄板上加工形成大小均匀、且垂直贯穿薄板的多个孔洞时，在缺陷区16两端的第一孔洞101和第二孔洞102的预定孔洞位点，分别远离中心部位进行位移加工成第三孔洞103以及第四孔洞104，位移量为0.2T，同时对第一孔洞101和第二孔洞102的半径扩大，为孔洞区10中其他孔洞半径的1.2倍。
S34：将PDMS柔性材料原料熔融配制成液态PDMS柔性材料后，涂于上述L3型光子晶体薄板1上，待液态柔性材料凝固后形成柔性材料层2，剥离III-V族外延片，得到柔性激光器。
本实施例的柔性激光器的制备方法，PDMS液态柔性材料涂于III-V族外延片上生长的L3型光子晶体薄板1的一面后，其渗入III-V族外延片和L3型光子晶体薄板1之间，这样，等PDMS液态柔性材料凝固后，PDMS柔性材料完全包裹L3型光子晶体薄板1。因此该制备方法获得的柔性激光器不仅实现了激光器件的小型化，同时实现了激光器的柔性化，使其结构参数可调，输出特性可调。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于光子晶体的柔性激光器，其特征在于，包括位于所述柔性激光器内部的L3型光子晶体薄板和包裹所述L3型光子晶体薄板的柔性材料层，所述柔性材料层实现所述柔性激光器的柔性化；所述L3型光子晶体薄板包括位于所述L3型光子晶体薄板中心的缺陷区和形成在所述缺陷区外围的孔洞区，所述孔洞区包括多个大小均匀、且垂直贯穿所述L3型光子晶体薄板的孔洞，所述缺陷区的大小为三个平行设置的孔洞位点对应的区域大小，且所述L3型光子晶体薄板包括依次叠层设置的第一保护层、第一涂层、发光层、第二涂层、第二保护层；
其中，所述L3型光子晶体薄板的周期T范围为0.14μm-0.18μm，所述孔洞的半径范围为0.25T-0.29T；所述孔洞区设有与所述缺陷区在同一直线、且位于所述缺陷区两端的第一孔洞、第二孔洞，所述第一孔洞和所述第二孔洞的两孔中心距为4.4T，所述孔洞区设有与所述缺陷区在同一直线、且与所述第一孔洞相邻的第三孔洞，以及与所述缺陷区在同一直线、且与所述第二孔洞相邻的第四孔洞，所述第一孔洞和所述第三孔洞的两孔中心距为0.8T，所述第二孔洞和所述第四孔洞的两孔中心距为0.8T；所述第一孔洞和第二孔洞的半径为所述孔洞区中其他孔洞半径的0.8-1.2倍，且所述第一孔洞和第二孔洞的半径与所述孔洞区中其他孔洞半径不相等；所述第一孔洞和第二孔洞的半径和两孔中心距用于提高所述光子晶体薄板的发光性能。
2.如权利要求1所述的柔性激光器，其特征在于，所述L3型光子晶体薄板的厚度范围为180nm-200nm，且所述柔性激光器的厚度范围为2μm-3μm。
3.如权利要求1所述的柔性激光器，其特征在于，所述柔性材料包括PMDS、PET、PEN、PEEK、PES、PAR、PCO、PNB和PI中的至少一种。
4.如权利要求1-3任一所述的柔性激光器，其特征在于，所述第一保护层为N型InGaP层，且所述N型InGaP层的厚度为10-20nm；和/或
所述第二保护层为P型InGaP层，且所述P型InGaP层的厚度为10-20nm。
5.如权利要求1-3任一所述的柔性激光器，其特征在于，所述第一涂层包括叠层设置的N型InAlGaP层和第一U型InAlGaP层，所述N型InAlGaP层与所述第一保护层相邻，且所述N型InAlGaP层的厚度范围为30nm-40nm，所述第一U型InAlGaP层的厚度范围为28nm-38nm；和/或
所述第二涂层包括叠层设置的P型InAlGaP层和第二U型InAlGaP层，所述P型InAlGaP层与所述第二保护层相邻，且所述P型InAlGaP层的厚度范围为20nm-30nm，所述第二U型InAlGaP层的厚度范围为38nm-48nm。
6.如权利要求5所述的柔性激光器，其特征在于，所述发光层包括叠层设置的至少一层U型InGaP量子阱层和至少两层U型InAlGaP间隔层，且所述U型InAlGaP间隔层设置于所述U型InGaP量子阱层之间以及所述U型InGaP量子阱层与第一U型InAlGaP层和所述第二U型InAlGaP层之间；
所述U型InGaP量子阱层的厚度范围为7nm-17nm，所述U型InAlGaP间隔层的厚度范围为10nm-20nm。
7.一种如权利要求1-6任一所述的柔性激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供外延片和柔性材料；
在所述外延片上依次生成第一保护层、第一涂层、发光层、第二涂层、第二保护层，且所述第一保护层、所述第一涂层、所述发光层、所述第二涂层和所述第二保护层组成预制薄板；
对所述预制薄板按照L3缺陷设计加工形成L3型光子晶体薄板；
将所述柔性材料熔融成液态柔性材料后，涂于所述L3型光子晶体薄板上，待所述液态柔性材料凝固后形成柔性材料层，剥离所述外延片，得到柔性激光器。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述外延片由III-V族半导体材料制成，包括从下到上依次层叠设置的N型GaAs衬底或硅衬底、N型GaAs缓冲层和N型AlGaAs牺牲层，且所述N型GaAs衬底的厚度范围为1μm-2μm，所述N型GaAs缓冲层的厚度为100nm，所述N型AlGaAs牺牲层的厚度为700nm。
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