CN109066284A - 一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器。所述激光器结构由下向上依次包括泵浦光源、基底、连接基底和纳米线结构的粘结剂层、金属纳米线阵列、填充阵列间隙的光学增益介质以及滤波片，所述滤波片为两片可替换使用的工作波段分别为815nm～825nm与885nm～900nm的滤波片。本发明的泵浦光源选用具有偏振特性的激光光源，通过不同折射率的增益介质对结构进行填充，从而获得可切换的双波段激发光。相比现有的激光结构，具有激发光稳定性好、双波段激发、波段可切换、效率高等优点。

Description

一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器

技术领域

本发明属于激光技术、金属纳米材料及微纳米加工制造等领域，涉及一种金属纳米线阵列结构，尤其涉及基于表面等离激元增强技术的可调谐双波段受激辐射的金属纳米线阵列结构。

背景技术

1960年由Schawlow和Townes发明的第一台红宝石激光器，是20世纪最重要的发明之一。半个世纪以来，激光器正在朝着更小体积、更快调制速度、更大功率、更高效率等方向飞速发展。2003年以前，由于受制备工艺水平的限制，激光器尺寸难以小型化。随着微纳尺度加工工艺的成熟，激光器的空间尺度也不断缩小，然而由于采用传统光学反馈谐振腔的激光器无法超越半波长谐振腔极限（衍射极限），因此微纳米激光器在尺度上无法再继续缩小。

表面等离子体(Surface Plasmons, SPs)是一种特殊模式的表面电磁波，是一种在金属表面存在的由金属自由振动电子与激发光光子相互作用而产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。在垂直于金属表面的方向上，由于介质损耗的存在，而以指数形式快速衰减，因此表面等离子体激元可以有效的约束亚波长尺度的电磁波，从而突破衍射极限的限制，将光子激光器的尺寸缩减到纳米量级，使光子激光器的集成度大大提高。

基于表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)的纳米激光器与传统激光器不同，它利用导体中表面等离子体激元的激发来实现光场的三维限制和传输，从而将谐振腔的尺寸压缩到深亚波长甚至纳米量级。该纳米激光器在光互连、生物探测、医疗、纳米光刻、数据存储等领域有着广泛的应用前景。

Stockman在2003年最早提出了通过引入光学增益材料(量子点、染料分子等)，来补偿SPs模式共振时产生的金属欧姆损耗，从而实现SPs的受激辐射(Surface PlasmonAmplification by Stimulated Emission of Radiation, SPASER)。 SPASER具有亚波长小尺寸、超快以及高亮度等显著的优点，尤其是尺寸方面，SPASER能够真正实现具有高电磁能量局域性、相干的纳米量级光源。

2007年荷兰埃因霍芬理工大学的M.T.Hill等人报道了第一个圆柱腔金属纳米激光器，其结构为一个半导体圆柱包裹在氮化硅绝缘层和金属腔中，成功获得了波长为1418nm的激光；2009年被诺福克州立大学M．A．Noginov利用实验成功验证金属纳米颗粒的受激辐射，其基本模型是由金属纳米球提供表面等离子体激元，在金属纳米球周围或者表面分布有增益介质。实验中，当外来电磁场激发表面等离子体激元并在金属表面产生共振时，由于共振增强效应和小尺寸效应，使得局域近场增强6倍，所获得的增益完全弥补了金属的吸收损耗；美国加州大学伯克利分校的张翔等人于2009年报导了一种纳米线表面等离子体激元激光器，其光学模式尺寸比衍射极限小近百倍，被称为深亚波长表面等离子体激元激光器。

金属纳米结构由于其独特的表面等离子激发特性使其可以轻松的突破衍射极限而成为微结构领域近几年的研究热点，而且SPASER自提出以来备受关注。基于金属纳米结构中SPASER效应的超越衍射极限限制的纳米激光器在表面等离激元光子学领域具有很广阔的研究前景。

现有的纳米激光器在体积上使得激光器进一步缩小，而且在衍射极限上也有了一定的突破，且出射高密度能量的单波段光束，但是目前具有稳定输出的波段可切换的纳米激光器仍是个空白。在一些特殊场合，需要特定的不同波段的激光，但是现有激光器并不具备多波段光束的稳定输出及波段切换的功能。

发明内容：

本发明提供一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器，制备工艺简单，能够稳定产生受激辐射效应，且作为一种液体激光器稳定出射高密度能量的双波段光束。

本发明的技术方案如下：

一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器，由下向上依次包括泵浦光源、基底、金属纳米线阵列、光学增益介质层以及滤波片，基底和金属纳米线阵列之间设置有粘结剂层，所述的基底为石英玻璃的介质基底，所述泵浦光源为具有偏振特性的激光光源，所述滤波片为两片可替换使用的工作波段分别为815nm～825nm与885nm～900nm的滤波片；所述的光学增益介质选用IR-140/二甲亚砜的混合染料溶液，所述混合染料溶液的折射率变化范围为1.43～1.54。

进一步的，所述的金属纳米线阵列选用的金属材料为金（Au）质材料，阵列结构是具有规则形状的纳米线按照一定周期有序排列而成的阵列。

进一步的，所述纳米线的形貌为长方体结构，长为1000nm，宽为100nm，高为100nm；纳米线长轴间隔为100nm，短轴间隔为120nm。

与现有的纳米激光器相比，本发明显著的优点是：

本发明所述的液态纳米阵列激光器相比于传统的激光器具有激发光能量密度高、双波长出射、波段可切换、尺寸小、结构简单及制备工艺简便的优点。

本发明所述的金属纳米尺寸阵列结构，在最小的有效尺寸下获得良好效果，不仅进一步缩小了结构尺寸，而且也便于制备加工。

本发明所述的金属阵列周期性结构有序排列相比杂乱无序结构产生的表面等离激元效应更能稳定，而且便于相关条件的单因素调控。

本发明所述的光学增益介质选用IR-140/二甲亚砜的混合染料溶液，能够产生稳定且明显的受激辐射效应，对于液态激光器的激发光具有很好的控制作用，并且可以稳定产生双波段激发光。

附图说明

图1给出了本发明所提供的一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器的截面示意图。

图2给出了本发明所述的一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器的金属纳米线阵列示意图。

图3给出了本发明实例1所得到的激发光的电场强度曲线图。

图4给出了本发明实例2所得到的激发光的电场强度曲线图。

图5给出了本发明在折射率为1.43～1.54范围内的各折射率下激发光的电场强度的曲线图。

图中各附图标记含义如下：

1、泵浦光源，2、基底，3、粘结剂层，4、金属纳米线阵列，5、光学增益介质，6、出射激发光，7、滤波片。

具体实施方式：

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

本发明的设计思想是：设计金属纳米结构，结合增益介质，改变共振环境折射率，实现双波段电场的激发。通过替换工作在不同波段的滤波片，实现本发明中所述的两波段的切换功能。

参见图1和图2，本发明提供一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器。所述激光器结构如图1所示，由下向上依次包括泵浦光源1、基底2、连接基底和纳米线结构的粘结剂层3、金属纳米线阵列4、填充阵列间隙的光学增益介质5和滤光片7。

所说的滤波片准备有可替换的两片，工作波段分别为815nm～825nm与885nm～900nm；所述的光学增益介质（5）选用IR-140/二甲亚砜的混合染料溶液，所述混合染料溶液的折射率变化范围为1.43～1.54。

所说的金属纳米线阵列（4）选用的金属材料为金（Au）质材料，阵列结构是具有规则形状的纳米线按照一定周期有序排列而成的阵列。本实施例中金属纳米线阵列是金质材料制成尺寸大小为1000nm×100 nm×100nm的长方体结构的纳米线，长为1000nm，宽为100nm，高为100nm；并按照长轴为100nm、短轴为120nm的间隔大小有序排列。

所说的基底为均匀致密的石英玻璃；所述的粘结剂层是聚氨酯材料，用来加固基底与纳米阵列的接触。

所说的滤波片是只允许通过某一波段激发光的滤波片，本发明通过选用两个工作波段分别为815nm～825nm与885nm～900nm的滤波片，实现对本发明所述的双波段出射激光阵列实现波段的切换功能。

所说的光学增益介质是具有增益特性的IR-140/二甲亚砜的混合染料溶液，使用不同配比获得折射率n为1.43～1.54之间的增益介质填充纳米阵列，补偿表面等离激元共振模式的金属损耗，更好地产生受激辐射效应，从而获得双波段的激发光束。

本发明的工作原理是：具有平行于长轴方向偏振态的单一波段光入射至本发明所述的激光器，在纳米结构上激发出表面等离激元共振现象。使用液体染料增益介质填充纳米结构，补偿了共振模式的金属损耗；同时，金属纳米结构间增强表面等离子激元使增益介质产生受激辐射。当我们改变增益介质的折射率时，金属纳米结构间增强表面等离子激元共振频率会发生改变，从而产生高密度能量的双波段的受激辐射的激发光，通过使用不同波段的滤波片，获得单一波段激发光，即实现双波段之间的切换功能。根据使用者需要，不使用滤波片，即可使得双波段激发光同时工作。

根据本发明所述的一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器，表面等离激元共振现象产生于金属纳米线阵列和基片的交界面上，通过增益染料溶液可产生受激辐射效应，借助单一波段滤波片的作用，获得可切换的可调谐双波段激发光。

实施例1：

本实例中选用单位尺寸的均匀致密的石英玻璃作为基底，尺寸为10x10μm。

本实例中选用粘结剂层是聚氨酯材料，用来加固基底与纳米阵列的接触。

本实例中选用金质材料制备长方体结构的金属纳米线阵列，尺寸大小为1000nm×100×100nm，并按照长轴为100nm、短轴为120nm的间隔有序排列。

本实例中选用的泵浦光具有平行于长轴方向的偏振态。

本实例中选用具有增益特性的IR-140/二甲亚砜的混合染料溶液填充纳米阵列，折射率n=1.43。

所说的滤波片准备有可替换的两片，工作波段分别为815nm～825nm与885nm～900nm。

实施例2：

本实例中选用具有增益特性的IR-140/二甲亚砜的混合染料溶液填充纳米阵列，折射率n=1.54，其他条件与实例1相同。

实施例仿真测试结果：

x为短轴方向，y为长轴方向；λ为激发光波长，其单位为μm，RE(E)是激发光的电场强度。

实施例1仿真结果图如图3所示。由图中可以看出，当折射率n=1.43时，激发光6主要集中在800nm～820nm波段，激光器阵列工作于单波段激发。

实施例2仿真结果图如图4所示。由图中可以看出，当折射率n=1.54时，激发光6集中在835nm～845nm和890nm～900nm两个波段，激光器阵列工作于双波段激发，且激发光6光强稳定，无明显振荡。对比实例1结果曲线图可以发现，阵列产生的激发光出现红移现象。

染料溶液的折射率n从1.43变化至1.54的激发光波段变化曲线图如图5所示。激光器阵列随着的染料溶液折射率的变化，从单波段工作变化至双波段激发光6，且激发光强稳定，无明显振荡。从结果曲线图可以发现，阵列产生的激发光出现明显的红移现象。

上述实施例为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器，其特征在于：由下向上依次包括泵浦光源（1）、基底（2）、金属纳米线阵列（4）、光学增益介质层（5）以及滤波片（7），基底（2）和金属纳米线阵列（4）之间设置有粘结剂层（3），所述的基底（2）为石英玻璃的介质基底，所述泵浦光源为具有偏振特性的激光光源，所述滤波片为两片可替换使用的工作波段分别为815nm～825nm与885nm～900nm的滤波片；所述的光学增益介质（5）选用IR-140/二甲亚砜的混合染料溶液，所述混合染料溶液的折射率变化范围为1.43～1.54。

2.如权利要求1所述的一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器，其特征在于：所述的金属纳米线阵列（4）选用的金属材料为金质材料，阵列结构是具有规则形状的纳米线按照一定周期有序排列而成的阵列。

3.如权利要求1或2所述的一种用于实现可调谐双波段受激辐射的纳米激光器，其特征在于：所述纳米线的形貌为长方体结构，长为1000nm，宽为100nm，高为100nm；纳米线长轴间隔为100nm，短轴间隔为120nm。