CN114336279A - 实现表面等离激元激光输出到远场的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了实现表面等离激元激光输出到远场的装置，包括表面等离激元波导和金属腔；该表面等离激元波导包括依序层叠的透明衬底层、增益介质层、绝缘介质层和金属膜层；该金属腔包括第一腔镜和第二腔镜，该第一腔镜的反射镜面与表面等离激元波导垂直布置，该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导相交倾斜布置。它具有如下优点：金属腔内的表面等离激元激光能通过第二腔镜的倾斜反射面高效率传输到远场，提高传输效率。
Description
技术领域
本发明涉及微型激光器领域，尤其涉及实现表面等离激元激光输出到远场的装置。
背景技术
随着现代信息科学技术飞速发展，人们对集成电路微型化要求也越来越高。光子作为信息载体因为具有高带宽、高速度和低耗散等优点，因此光子器件成为高性能集成芯片的极佳选择。然而，受衍射极限限制，使得光学芯片很难在极小尺度下实现大规模集成。表面等离激元激光因具有突破衍射极限和近场能量增强特性使得基于表面等离激元的光学器件能够在比波长更短的纳米尺度下控制光信息的传输和处理，从而为发展集成光学芯片提供了强有力的技术支撑。
目前，在已公开的专利和文献中报道的基于金属腔的表面等离激元激光器的绝大部分激光能量被限制在金属腔内，只有少量的激光通过金属腔镜的散射作用转换成远场传播的光，这使得表面等离激元激光转换成远场传播的光的效率很低，如中国专利数据库公开的CN201810007648.X。
发明内容
本发明提供了实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其克服了背景技术中所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案是：实现表面等离激元激光输出到远场的装置，包括表面等离激元波导和金属腔；该表面等离激元波导包括依序层叠的透明衬底层、增益介质层、绝缘介质层和金属膜层；该金属腔包括第一腔镜和第二腔镜，该第一腔镜的反射镜面与表面等离激元波导垂直布置，该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导相交倾斜布置。
一较佳实施例之中：该金属腔通过刻蚀技术嵌入在表面等离激元波导中；该第一腔镜顶端、第二腔镜顶端都与金属膜层相连接，最底端都位于透明衬底层中。
一较佳实施例之中：该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导的夹角在0-90°之间，且通过调节第二腔镜的反射镜面的倾斜角度控制表面等离激元激光输出到远场的方向。
一较佳实施例之中：该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导的夹角在30-60°之间。
一较佳实施例之中：该第一腔镜截面呈矩形，该矩形侧边对应侧壁构成第一腔镜的反射镜面；该第二腔镜截面呈直角三角形，该直角三角形斜边对应侧壁构成第二腔镜的反射镜面。
一较佳实施例之中：该透明衬底层材料采用能抑制光学激光产生的碳化硅、金刚石、蓝宝石、氮化镓、氧化镓或氧化锌。
一较佳实施例之中：该增益介质层材料为由发光半导体制作的半导体纳米带、半导体纳米线、半导体量子点或者掺有激光染料分子的介质。
一较佳实施例之中：该绝缘介质层材料为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂。
一较佳实施例之中：该金属膜层和金属腔的材料为金、银、铜或铝。
一较佳实施例之中：该金属膜层为200nm厚的银金属膜，金属膜层镀在绝缘介质层上；绝缘介质层为6nm厚的二氟化镁膜；增益介质层为180nm厚的硒化镉半导体纳米带，增益介质层紧贴在绝缘介质层的表面上且其间无间隙；金属腔由银质的第一腔镜和银质的第二腔镜两个反射镜组成。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
第一腔镜的反射镜面与表面等离激元波导垂直布置，第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导相交倾斜布置，金属腔内的表面等离激元激光能通过倾斜反射面高效率传输到远场，提高传输效率。通过改变金属反射镜的倾斜角度能控制表面等离激元激光传输到远场的方位角，实现方位可控。
金属腔通过刻蚀技术嵌入在表面等离激元波导中，能精准控制金属腔的形状和尺寸。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本具体实施方式的实现表面等离激元激光高效输出到远场的装置的结构示意图；
图2是本具体实施方式的实现表面等离激元激光高效输出到远场的装置的俯视扫描电子显微镜图。
图3是本具体实施方式的实现表面等离激元激光高效输出到远场的装置用CCD相机捕捉到的金属腔中表面等离激元激光输出时的图像。
图4是本具体实施方式的实现表面等离激元激光高效输出到远场的装置在倾斜金属反射镜处测量得到的不同泵浦光功率密度下的发射光谱。
具体实施方式
如图1和图2所示，实现表面等离激元激光高效输出到远场的装置包括表面等离激元波导1和金属腔2。
该表面等离激元波导1包括高折射率透明衬底层14、位于高折射率衬底层14上的增益介质层13、位于增益介质层13上的绝缘介质层12和位于绝缘介质层12上的金属膜层11。该金属膜层11为200nm厚的银金属膜，金属膜层11镀在绝缘介质层上；绝缘介质层12为6nm厚的二氟化镁膜；增益介质层13为180nm厚的硒化镉半导体纳米带，增益介质层13紧贴在绝缘介质层12的表面上且其间无间隙；高折射率衬底层14的折射率如1.8～4。该金属腔2由银质的第一腔镜21和银质的第二腔镜22两个反射镜组成，两个腔镜之间的距离为6μm，宽度均为3μm，第一腔镜21是垂直银反射镜，第二腔镜22是倾斜角度为45°的银反射镜，通过倾斜的反射镜使金属腔内的表面等离激元激光高效率传输到远场。两银反射镜的顶端与金属膜层11相连接，最底端位于衬底层14中，在衬底中的刻蚀深度约130nm。
具体结构中：该第一腔镜21的反射镜面与表面等离激元波导1垂直，该第二腔镜22的反射镜面与表面等离激元波导1的夹角在0-90°之间，第二腔镜22的反射镜面与金属膜层11的夹角0-90°之间,通过调节第二腔镜的反射镜面的倾斜角度控制表面等离激元激光输出到远场的方向，该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导的夹角30-60°之间，如45度；该第一腔镜21截面呈矩形，该矩形侧边对应侧壁构成第一腔镜的反射镜面；该第二腔镜22截面呈直角三角形，该直角三角形斜边对应侧壁构成第二腔镜的反射镜面。
图3是实现表面等离激元激光高效输出到远场的装置用CCD相机捕捉到的金属腔内有表面等离激元激光输出时的图像，图中虚线所围起来的圆形区域代表倾斜银反射镜(第二腔镜22)处观察到的表面等离激元激光。左端是45°倾斜的银反射镜(第二腔镜22)，右端是垂直银反射镜(第一腔镜21)，从图3可以很明显的看到，左端45°倾斜反射镜处的激光输出强度明显强于右端垂直银反射镜处的表面等离激元激光的输出强度。
图4是从实现表面等离激元激光高效输出到远场的装置的倾斜反射镜处测量得到的不同泵浦光功率下的发射光谱，下面的曲线表示泵浦光的功率密度低于激光阈值时金属腔中增益介质产生的荧光谱，上面的曲线表示泵浦光的功率密度高于激光阈值时的发射谱。从图4中可以看出当泵浦光的功率密度超过激光阈值时，发射光谱上出现六个明显的激光峰，意味着激光的形成，这六个激光峰的中心波长分别为690.3、693.4、701.9、705.2、708.5、717.5nm。
本具体实施方式之中：增益介质层材质为由发光半导体制作的半导体纳米带、半导体纳米线、半导体量子点或者掺有激光染料分子的介质，发光半导体材料是硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟氮化镓或磷砷化镓铟，掺有激光染料分子的介质采用罗丹明或荧光素钠；发光半导体通过化学气相沉积、分子束外延或水热法等方法进行生长，掺有激光染料分子的介质通过直接掺入或是扩散的方法将染料分子掺入介质中；绝缘介质层材质为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂，绝缘介质层厚度在5～50nm之间，并且是通过电子束蒸发、磁控溅射、热蒸发或是脉冲激光沉积的方法沉积在增益介质层上；金属膜层以及金属腔的材料为金、银、铝或铜；金属膜层是通过磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或脉冲激光沉积等方法镀覆在绝缘介质层上；该透明衬底层材料采用能抑制光学激光产生的碳化硅、金刚石、蓝宝石、氮化镓、氧化镓或氧化锌。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：包括表面等离激元波导和金属腔；该表面等离激元波导包括依序层叠的透明衬底层、增益介质层、绝缘介质层和金属膜层；该金属腔包括第一腔镜和第二腔镜，该第一腔镜的反射镜面与表面等离激元波导垂直布置，该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导相交倾斜布置。
2.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该金属腔通过刻蚀技术嵌入在表面等离激元波导中；该第一腔镜顶端、第二腔镜顶端都与金属膜层相连接，最底端都位于透明衬底层中。
3.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导的夹角在0-90°之间，且通过调节第二腔镜的反射镜面的倾斜角度控制表面等离激元激光输出到远场的方向。
4.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该第二腔镜的反射镜面与表面等离激元波导的夹角在30-60°之间。
5.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该第一腔镜截面呈矩形，该矩形侧边对应侧壁构成第一腔镜的反射镜面；该第二腔镜截面呈直角三角形，该直角三角形斜边对应侧壁构成第二腔镜的反射镜面。
6.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该透明衬底层材料采用能抑制光学激光产生的碳化硅、金刚石、蓝宝石、氮化镓、氧化镓或氧化锌。
7.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该增益介质层材料为由发光半导体制作的半导体纳米带、半导体纳米线、半导体量子点或者掺有激光染料分子的介质。
8.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该绝缘介质层材料为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅或氟化锂。
9.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该金属膜层和金属腔的材料为金、银、铜或铝。
10.根据权利要求1所述的实现表面等离激元激光输出到远场的装置，其特征在于：该金属膜层为200nm厚的银金属膜，金属膜层镀在绝缘介质层上；绝缘介质层为6nm厚的二氟化镁膜；增益介质层为180nm厚的硒化镉半导体纳米带，增益介质层紧贴在绝缘介质层的表面上且其间无间隙；金属腔由银质的第一腔镜和银质的第二腔镜两个反射镜组成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220412 |