CN112563882A - 一种基于氮化铝纳米线的激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氮化铝纳米线的激光器，包括衬底、以及设置在衬底上的单根氮化铝纳米线；所述氮化铝纳米线平行于衬底，所述氮化铝纳米线的两个端面之间形成法布里‑珀罗谐振腔。本申请的一种基于氮化铝纳米线的激光器，采用单根氮化铝纳米线作为增益介质，有利于实现波长为280nm以下的激光输出。

Description

一种基于氮化铝纳米线的激光器
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种基于氮化铝纳米线的激光器。
背景技术
纳米线激光器在数据存储、医疗、生物以及化学荧光传感等应用领域非常受欢迎。现有的纳米线激光器，纳米线为CdS（硫化镉）、ZnO（氧化锌）、GaN（氮化镓），纳米线激光的辐射波长已经涵盖了近紫外到可见光范围。由于这些宽禁带半导体材料具有高的击穿电场、热导率、电子迁移率等优势而在高温、高频、抗辐射以及短波长发光领域有巨大的发展潜力。
但由于CdS的禁带宽度2.45eV，对应的发光波长为507nm；ZnO的禁带宽度3.2eV，对应的发光波长为390nm；GaN的禁带宽度3.4eV，对应的发光波长为364nm。在光泵浦下半导体纳米线的受激辐射，通常都是利用更短波长的泵浦光来实现线性光学泵浦，这很大程度上限制了纳米线激光器的输出波长范围和应用，现有技术仅仅能实现UV-A(输出波长315-400nm)、UV-B(280-315nm)的激光输出，难以实现280nm以下的激光输出。
发明内容
为了克服现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于氮化铝纳米线的激光器，包括衬底、以及设置在衬底上的单根氮化铝纳米线；所述氮化铝纳米线平行于衬底，所述氮化铝纳米线的两个端面之间形成法布里-珀罗谐振腔。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进， 所述激光器还包括飞秒激光激励源。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进，所述氮化铝纳米线的端面具有光栅结构。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进，所述氮化铝纳米线的端面具有镀膜层。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进，所述飞秒激光为紫外飞秒激光，所述激光器为日盲紫外激光器。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进，所述紫外飞秒激光的波长大于200nm小于400nm。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进，所述飞秒激光的重复频率为1kHz-200kHz可调。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进， 所述衬底为MgF2衬底。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进， 所述氮化铝纳米线的直径为0.05-1000μm。
作为本发明提供的基于氮化铝纳米线的激光器的一种改进，所述氮化铝纳米线的长度为10-5000μm。
本申请具有以下有益效果：
本发明提出的一种基于氮化铝纳米线的激光器，采用单根氮化铝纳米线作为增益介质，在氮化铝纳米线的两个端面之间形成法布里-珀罗谐振腔，使氮化铝纳米线同时作为激光器的增益介质和谐振腔；本申请的纳米线为氮化铝纳米线，氮化铝具有超宽禁带宽度6.2eV，有利于实现280nm以下的激光输出。
附图说明
图1为本发明实施例的一种基于氮化铝纳米线的激光器的示意图；
图2为本发明实施例的一种基于氮化铝纳米线的激光器的法布里-珀罗谐振腔的示意图。
附图标记：
衬底（1）、氮化铝纳米线（2）、飞秒激光（3）、左端面（5）、右端面（4）。
具体实施方式：
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1是本发明实施例的一种基于氮化铝纳米线的激光器的结构示意图。
如图1所示，本发明提出的一种基于氮化铝纳米线的激光器，包括衬底（1）、以及设置在衬底（1）上的半导体纳米线。本申请的半导体纳米线为单根氮化铝纳米线（2）。其中，氮化铝纳米线（2）平行于衬底（1）设置。
氮化铝纳米线（2）具有良好的单晶质量、原子级光滑的表面、较高的折射率，能有效的将光约束在亚波长尺寸内。氮化铝纳米线（2）的端面具有一定的反射率，使得氮化铝纳米线（2）的左端面（5）和右端面（4）构成两个反射镜，如图2所示，在这两个端面之间形成法布里-珀罗（F-P，Fabry–Pérot）谐振腔。
单根氮化铝纳米线（2）作为增益介质，氮化铝具有超宽禁带宽度6.2eV，,对应的发射波长为200nm-210nm，有利于实现280nm以下的激光输出。这种结构的激光器受激辐射具有较好的光学模式特性，能够产生高亮度的激光，产生的激光从氮化铝纳米线（2）端面输出。
激光器还包括激励源，激励源可采用电泵浦或光泵浦方式。优选的，本申请的激励源为飞秒激光（3）。飞秒激光（3）的重复频率为1kHz-200kHz可调，具有非常高的峰值功率密度。
作为更加优选的方案，激励源为紫外飞秒激光（3），激光器为日盲紫外激光器。紫外飞秒激光的波长大于200nm小于400nm，采用紫外飞秒激光时，激励源为双光子吸收的泵浦，氮化铝纳米线（2）通过双光子吸收实现粒子数反转和激光输出。采用高峰值功率密度的紫外飞秒激光双光子激发能够有效实现氮化铝纳米线（2）的日盲紫外激光输出。在一个具体的实施例中，紫外飞秒激光的波长范围为210-390nm。
如将紫外飞秒激光替换成其它波长的飞秒激光，若采用的泵浦飞秒激光波长小于200nm，则激励源为单光子吸收的线性泵浦。若采用的泵浦飞秒激光波长大于400nm，则激励源为多光子吸收的非线性泵浦，效率较低。
本申请实施例优选采用高峰值功率密度的紫外飞秒激光双光子激发，相较于单光子激发，紫外飞秒激光双光子激发具有更大的穿透深度，可以获得更高效的光耦合，同时减少由纳米线表面缺陷引起的非辐射复合，提升激光器的激光输出性能。
氮化铝（AlN）具有超宽禁带宽度6.2eV，根据已知的光量子能量公式E=(hc/λ)，紫外飞秒激光光子能量为3.1eV-4.8eV，所以当飞秒激光作为激励源，可使氮化铝纳米线（2）同时吸收两个飞秒激光光子，在外加激励源紫外飞秒激光的作用下，氮化铝纳米线（2）的电子跃迁到高能级态并实现粒子数反转从而产生受激辐射，从端面出射波长为日盲紫外波段的激光，能实现200nm左右的日盲紫外激光输出。例如，可输出参考波长范围200-210nm的日盲紫外波段激光。从而实现了纳米线紫外激光器更深的紫外激光输出，该波段的紫外激光可以应用在光学成像、定位识别和医疗检测等方面。
氮化铝纳米线（2）本身作为法布里-珀罗（F-P，Fabry–Pérot）谐振腔，在紫外飞秒激光双光子激发下，这种结构的受激辐射具有较好的光学模式特性，能够产生高亮度的日盲紫外单色光，产生的激光从氮化铝纳米线端面输出，非常适合耦合到纳米光子学元器件，如量子点、金属纳米颗粒、等离子体波导、生物标本中。
氮化铝纳米线（2）作为一种增益介质，其表面结晶良好，端面平整，作氮化铝纳米线（2）的直径为0.05-1000μm。氮化铝纳米线（2）的长度为10-5000μm。
作为一个优选的方案，在氮化铝纳米线（2）的端面设置有光栅结构。光栅结构例如为刻写在端面的FBG光栅结构，其目的是增强端面反射并降低氮化铝纳米线的镜面损耗。光波在纳米线内传播时与金属光栅相互作用，被端面反射，从而形成增益反馈。为了提高端面反射率、降低激射阈值、提升激光输出效率，除了在氮化铝纳米线（2）的端面设置有光栅结构，还可以在氮化铝纳米线（2）的端面设置镀膜层。镀膜例如为金膜。但可以理解的，光栅结构和镀膜并不以此为限。作为更加优选的方案，可在端面同时设置镀膜和光栅，可先在端面刻上光栅，再形成镀膜。
本申请具体实施例的衬底（1）优选为MgF2衬底（1）。MgF2为低折射率晶体，可以有效防止光信号的泄露。
本申请的激光器在量子计算、显示、照明、生物以及气体传感、医疗诊断、高密度存储以及材料科学等领域都有广泛的应用。
本申请具有以下有益效果：
本发明提出的一种基于氮化铝纳米线的激光器，采用单根氮化铝纳米线作为增益介质，在氮化铝纳米线的两个端面之间形成法布里-珀罗谐振腔，使氮化铝纳米线同时作为激光器的增益介质和谐振腔；本申请的纳米线为氮化铝纳米线，氮化铝具有超宽禁带宽度6.2eV，有利于实现280nm以下的激光输出。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氮化铝纳米线的激光器，其特征在于，包括衬底、以及设置在衬底上的单根氮化铝纳米线；所述氮化铝纳米线平行于衬底，所述氮化铝纳米线的两个端面之间形成法布里-珀罗谐振腔。
2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于， 所述激光器还包括飞秒激光激励源。
3. 根据权利要求1所述的激光器，其特征在于， 所述氮化铝纳米线的端面具有光栅结构。
4.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于， 所述氮化铝纳米线的端面
具有镀膜层。
5.根据权利要求2所述的激光器，其特征在于， 所述飞秒激光为紫外飞秒激光，所述激光器为日盲紫外激光器。
6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于， 所述紫外飞秒激光的波长大于200nm小于400nm。
7. 根据权利要求2所述的激光器，其特征在于， 所述飞秒激光的重复频率为1kHz-200kHz可调。
8.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于， 所述衬底为MgF2衬底。
9.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于， 所述氮化铝纳米线的直径为0.05-1000μm。
10.根据权利要求8所述的激光器，其特征在于， 所述氮化铝纳米线的长度为10-5000μm。
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