CN111755945A - 一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳光学领域，具体公开了一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料，光学材料由基底、增益介质及周期性排列的二维石墨烯阵列组成，其中石墨烯单元包括一个π型石墨烯谐振器和一个空心矩形石墨烯谐振器，本发明结构简单，可操作性强，结构在增益介质的辅助作用下，极大地补偿了系统的固有损耗，共振强度被数量级放大，实现了低阈值的受激辐射，并且可以通过调节增益系数实现双波长的选择性激发，此外，通过调节入射光极化角度可以实现强度可调谐的激光现象，本发明为可调谐双波长等离子体纳米激光器的设计开辟了全新的技术途径。

Description

一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料。

背景技术

光与金属表面中的自由电子相互作用可产生电磁波振荡，形成表面等离子体共振，从而导致材料周围光场高度集中，局域电场大幅度增强，进而克服光学衍射极限，石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成的二维蜂巢晶格型碳纳米材料，其表面可产生等离激元，具有典型的金属特性，此外，其具有优越的电磁特性，石墨烯等离子体器件在微纳光学以及材料科学领域具有重要的应用前景。

随着科学技术的快速发展，等离子纳米激光器在科学研究、生物医学、电子信息等领域应用十分广泛，传统激光器由于无法突破衍射极限，其空间尺寸受限于波长量级，无法满足集成度更高的组件要求，严重限制了激光器在各个领域的发展和应用，基于表面等离激元光子学和电磁辐射等理论基础，利用超材料的亚波长尺度近场光学效应，可以有效突破衍射极限并且实现局域电磁场的数量级增强，基于表面等离激元的纳米激光器，可实现亚波长及纳米级的激光发射，其小型化以及高度集成的特性是目前激光器微型化最有效的改善方法之一，通常情况下，表面等离激元需要通过金属超材料的激发获得，而金属较高的本征损耗导致激光器的高阈值特性，因此，可以在结构中引入增益介质补偿结构的能量损耗，并且电场能量实现显著增强，突破衍射极限；2009年，Noginov等人制备了金芯和掺杂增益介质的二氧化硅外壳组成的结构，在泵浦光的作用下，增益介质完全补偿了系统的本征损耗，首次在实验上实现了等离子体激光器，2013年，Zhou等人在实验上通过固体增益材料与金属纳米粒子阵列的组合结构实现了等离子体激光的定向发射，2019年，Fernandez-Bravo等人基于银纳米阵列的超材料结构，实现了亚波长的低阈值等离激元纳米激光器，基于超材料的表面等离激元特性，可以设计出体积小、定向耦合输出效率高的纳米激光结构，这对于研究更加集成化，以及光束耦合效率高的激光器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料，将石墨烯超材料与增益介质相结合并进行周期性排列，石墨烯层为二维单层平面结构，不涉及到结构堆叠等复杂结构，结构简单且可操作性强，适合大规模批量制备，制备精度高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，包括基底，排列在基底之上的增益介质，还包括周期性排列在增益介质之上并形成二维阵列的石墨烯结构单元，所述石墨烯结构单元包括一个π型石墨烯谐振器和一个空心矩形石墨烯谐振器。

进一步的，所述结构单元在基底上沿x轴及y轴的排列周期分别为P_x＝400nm,P_y＝280nm,其中，空心矩形石墨烯谐振器谐振腔外部的长度和宽度分别为l₁＝180nm，w₁＝80nm，谐振腔内部的长度和宽度分别是l₂＝100nm，w₂＝30nm；π型石墨烯谐振器的长臂是一条连续的条带，沿着x轴方向连续排列，两个短臂的长度和宽度分别为l₃＝30nm,w₃＝30nm，π型石墨烯谐振器和空心矩形石墨烯谐振器之间的耦合距离为s＝60nm。

进一步的，所述石墨烯结构单元所用材料是厚度为1nm的石墨烯。

进一步的，所述增益介质是具有虚部折射率的电介质，增益介质为掺杂的PbS半导体量子点，其结构厚度为30nm。

进一步的，所述基底为二氧化硅电介质材料。

一种可调谐双波长等离子体纳米激光器，该等离子体纳米激光器含有上述实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，该等离子体纳米激光器具有可调谐双波长发射的功能。

本发明具有的优点是：

1.本发明创新性地将石墨烯超材料和增益介质结合并进行周期性排列，所述周期性排列的石墨烯结构单元组成包括一个π型石墨烯谐振器和一个空心矩形石墨烯谐振器，石墨烯层为二维单层平面结构，不涉及到结构堆叠等复杂结构，结构简单且可操作性强，适合大规模批量制备，制备精度高；

2.本发明中实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的材料为石墨烯超材料，石墨烯具有金属性，表面可产生等离激元，并且石墨烯在太赫兹频域具有较低的等离子体传输损失，此外，在系统中引入增益介质可以补偿本征损耗，电场呈数量级增强，突破衍射极限，实现激光发射；

3.本发明通过动态调节增益系数实现了可调谐双波长等离子体纳米激光现象，通过设置增益系数可以对光谱进行选择性激发，可以输出不同的激光波长，同时也可实现双波长的动态调控，更加丰富了激光的多样性发展；

4.本发明可以通过改变入射光的极化角度实现对激发波强度的非接触式动态调控，并且调控过程中激发波长对应的发射频率始终保持不变。

附图说明

图1：本发明提出的一种可调谐双波长等离子体纳米激光器的整体结构示意图以及单元结构俯视图；

图2：本发明提出的可调谐双波长等离子体纳米激光器在不同增益系数α下的透射光谱图；

图3：本发明提出的两个激发波长在不同增益系数α对应的光谱透射率点线图；

图4：本发明提出的两个激发波长在不同极化角度下对应的透射光谱图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，一种实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，包括基底，排列在基底之上的增益介质，还包括周期性排列在增益介质之上并形成二维阵列的石墨烯结构单元，基底为二氧化硅电介质材料，其折射率为1.5，厚度为100nm，石墨烯结构单元所用材料是厚度为1nm的石墨烯，所述石墨烯结构单元包括一个π型石墨烯谐振器和一个空心矩形石墨烯谐振器，所述结构单元在基底上沿x轴及y轴的排列周期分别为P_x＝400nm,P_y＝280nm,其中，空心矩形石墨烯谐振器谐振腔外部的长度和宽度分别为l₁＝180nm，w₁＝80nm，谐振腔内部的长度和宽度分别是l₂＝100nm，w₂＝30nm；π型石墨烯谐振器是由一条长臂和两条短臂组成的π型，其中长臂是一条连续的条带，沿着x轴方向连续排列，两个短臂的长度和宽度分别为l₃＝30nm,w₃＝30nm，π型石墨烯谐振器和空心矩形石墨烯谐振器之间的耦合距离为s＝60nm；所述增益介质是具有虚部折射率的电介质，增益介质为掺杂的PbS半导体量子点，增益介质周期性地排布在SiO₂基底上方，其结构厚度为30nm，本申请的另一目的是提供一种可调谐双波长等离子体纳米激光器，该等离子体纳米激光器含有上述实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，且该等离子体纳米激光器具有可调谐双波长发射的功能。

验证实验

增益介质引入超材料结构中是补偿系统固有损耗的有效途径之一，它可以极大地放大超材料的等离子体共振，提高辐射性能，很好地扩展其在非线性光学器件中的研究，本发明中创新性地将增益介质引入到石墨烯超材料结构中来补偿系统的固有损耗，突破衍射极限，采用复折射率以n＝1.5-ik的形式表征增益介质周围的介电环境，折射率实部为1.5，虚部k表示周围介质的增益，k＝λα/2π，其中α＝Nσ_e/2为增益系数,通常与发射截面(σ_e)和增益介质的浓度(N)有关，在这里，波长可通过结构的几何参数来确定，因此，通过动态调节增益系数可以实现激发波长的有效调整；如图2所示，当增益系数增加到70cm^-1时，该超材料结构的固有损耗已经被完全补偿，波峰1的共振强度被数量级放大，突破衍射极限，透射率会急剧增加，达到极值1715，产生激光现象；当增益系数达到110cm^-1，波峰2的对应的共振强度急剧增强，透射率达到1116，突破衍射极限；当增益系数为90cm^-1时，波峰1和波峰2同时存在，实现了双波长的发射，因此，该结构可以通过设置增益系数对光谱进行选择性激发，输出不同的激光波长，该结果更加丰富了激光的多样性发展。

图3显示了两个共振峰在不同的增益系数α下的光谱透射率，进一步验证且直观描述了增益介质的光放大特性，如图3中(a)所示，黑色曲线表示波峰1在不同α下的点线图，随着α的增大，该系统透射率呈数量级增大,最高可达1715,最终突破衍射极限，形成激光，在相同的物理机制下，图3中(b)描绘了波峰2的共振放大和受激辐射过程，系统完成了辐射放大的转换过程，同样突破了衍射极限，在α＝110cm^-1时，其透光率高达1116，进一步验证了该结构可以通过改变增益系数对光谱进行选择性激发，实现可调谐双波长等离子体激光现象。

图4验证了在不同极化角度下激光强度的动态可调性，光谱选定为共振强度的最强处，即波峰1和波峰2对应的增益系数分别为70cm^-1和110cm^-1。设定极化角度以15°为步长，从0°增加到90°，随着极化角度的增加，峰值1和峰值2的受激辐射强度急剧下降，直至接近于0,并且调制期间其对应的频率始终保持不变，因此，在特定的共振频率处，可以通过改变极化角度对受激辐射峰的强度进行非接触式动态调节。

Claims (6)

1.一种实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，其特征在于：包括基底，排列在基底之上的增益介质，还包括周期性排列在增益介质之上并形成二维阵列的石墨烯结构单元，所述石墨烯结构单元包括一个π型石墨烯谐振器和一个空心矩形石墨烯谐振器。

2.如权利要求1所述的实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，其特征在于：所述结构单元在基底上沿x轴及y轴的排列周期分别为P_x=400 nm, P_y=280 nm, 其中，空心矩形石墨烯谐振器谐振腔外部的长度和宽度分别为 l₁=180 nm，w₁=80 nm，谐振腔内部的长度和宽度分别是l₂=100 nm，w₂=30 nm；π型石墨烯谐振器的长臂是一条连续的条带，沿着x轴方向连续排列，两个短臂的长度和宽度分别为 l₃ =30 nm, w₃ =30 nm，π型石墨烯谐振器和空心矩形石墨烯谐振器之间的耦合距离为s =60 nm。

3.如权利要求2所述的实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，其特征在于：所述石墨烯结构单元所用材料是厚度为1nm的石墨烯。

4.如权利要求3所述的实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，其特征在于：所述增益介质是具有虚部折射率的电介质，增益介质为掺杂的PbS半导体量子点，其结构厚度为30 nm。

5.如权利要求4所述的实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，其特征在于：所述基底为二氧化硅电介质材料。

6.一种可调谐双波长等离子体纳米激光器，其特征在于：含有如权利要求1-5任一所述的实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，所述等离子体纳米激光器具有可调谐双波长发射的功能。

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