CN114678760B - 一种纳米线激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种纳米线激光器，包括纳米天线和纳米线，纳米天线包括多个相互分离的纳米结构体；当激发光耦合进纳米天线，纳米结构体间的缝隙对激发光进行进场局限和放大，且激发纳米天线的光学热点，以使纳米天线捕获纳米线，并通过控制纳米线的位置来调节光学热点在纳米线中的位置；当纳米天线中没有激发光，纳米天线释放纳米线；纳米线中产生并出射纳米激光。纳米天线中的缝隙对激发光进行进场局限和放大，即由纳米天线提供泵浦光，无需额外设置外部泵浦部件，同时激发光激发纳米天线的光学热点，提供光学力和光学力矩，进而捕获纳米线并无接触操控纳米线，对纳米线不同位置进行光学泵浦和激励，以获得不同的增益，实现对纳米激光波长的调谐。
Description
技术领域
本申请涉及激光器领域，特别是涉及一种纳米线激光器。
背景技术
纳米激光器是一种具有纳米级尺寸的激光器，通过纳米线或其他纳米材料作为光学谐振腔，通过光激发或电激发来实现发光。纳米线激光器作为一种纳米激光器，具有结构简单、易于生长、晶体质量高、侧壁平滑等独特的优势，但是，由于纳米线本身承担着光学微腔的作用，一旦加工制造完成，其结构和功能不能修改，导致纳米线激光器的波长不能进行调谐。并且，由于纳米线激光器体积较小，目前采用外部电泵浦技术实现泵浦，增加纳米线激光器的复杂度，也不利于激光器的大规模集成。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种纳米线激光器，以降低激光器的复杂程度，并实现波长的可调谐。
为解决上述技术问题，本申请提供一种纳米线激光器，包括纳米天线和纳米线，所述纳米天线包括多个相互分离的纳米结构体；
当激发光耦合进入所述纳米天线，所述纳米结构体间的缝隙对所述激发光进行进场局限和放大，且激发所述纳米天线的光学热点，以使所述纳米天线捕获所述纳米线，并通过控制所述纳米线的位置来调节所述光学热点在所述纳米线中的位置；
所述纳米线中产生并出射纳米激光。
可选的，还包括：
用于传输所述激发光的波导，所述纳米天线设于所述波导的上表面并与所述波导耦合。
可选的，所述波导和所述纳米天线的材料均为非金属材料。
可选的，所述波导和所述纳米天线的材料均为硅。
可选的，所述纳米线两端的表面为光滑平整的表面。
可选的，所述纳米结构体的形状为圆柱体。
可选的，所述纳米结构体的直径在180nm～220nm之间，高度在180nm～220nm之间，所述纳米结构体间的缝隙在45nm～55nm之间。
可选的，所述纳米线的材料为二元半导体材料或者三元半导体材料。
可选的，所述纳米线的截面形状为圆形、椭圆形、矩形、三角形、六角形中的任一种。
可选的，所述纳米线的数量为多个。
本申请所提供的一种纳米线激光器，包括纳米天线和纳米线，所述纳米天线包括多个相互分离的纳米结构体；当激发光耦合进入所述纳米天线，所述纳米结构体间的缝隙对所述激发光进行进场局限和放大，且激发所述纳米天线的光学热点，以使所述纳米天线捕获所述纳米线，并通过控制所述纳米线的位置来调节所述光学热点在所述纳米线中的位置；所述纳米线中产生并出射纳米激光。
可见，本申请纳米线激光器中的纳米天线包括多个相互分离的纳米结构体，纳米结构体之间存在缝隙，当激发光耦合进入纳米天线，缝隙实现激发光的进场局限和放大，即由纳米天线提供泵浦光，无需额外设置外部泵浦部件，降低纳米线激光器的复杂程度，同时激发光激发纳米天线的光学热点，即纳米天线作为纳米光镊装置，提供光学力和光学力矩，进而使纳米天线捕获纳米线，同时对纳米线进行无接触操控，通过调节纳米线的位置来调节纳米天线的光学热点在纳米线中的位置，实现对纳米线上的不同位置进行光学泵浦和激励，进而获得不同的增益，实现对纳米激光波长的调谐。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种纳米线激光器的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种纳米线激光器的正视图；
图3为本申请实施例所提供的一种纳米线激光器的俯视图；
图4为纳米激光沿着纳米线的出射方向示意图；
图5为本申请实施例所提供的另一种纳米线激光器的结构示意图；
图6为本申请实施例所提供的另一种纳米线激光器的俯视示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，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。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，由于纳米线本身承担着光学微腔的作用，一旦加工制造完成，其结构和功能不能修改，导致纳米线激光器的波长不能进行调谐。并且，由于纳米线激光器体积较小，目前采用外部电泵浦技术实现泵浦，增加纳米线激光器的复杂度，也不利于激光器的大规模集成。
有鉴于此，本申请提供了一种纳米线激光器，请参考图1至图3，包括纳米天线和纳米线2，所述纳米天线包括多个相互分离的纳米结构体1；
当激发光耦合进入所述纳米天线，所述纳米结构体1间的缝隙对所述激发光进行进场局限和放大，且激发所述纳米天线的光学热点，以使所述纳米天线捕获所述纳米线2，并通过控制所述纳米线2的位置来调节所述光学热点在所述纳米线2中的位置；
所述纳米线2中产生并出射纳米激光。
需要指出的是，当纳米天线中没有激发光时，纳米天线释放纳米线2。当纳米天线中没有激发光，纳米天线中的光学热点立即消失，被捕获的纳米线2也被立即释放，实现对纳米线2的可逆、可控操控，且不会破坏或改变纳米线2的结构，便于在室温下实现波长的可逆调谐，且操控的重复性高。
纳米结构体1的数量大于等于两个，以保证纳米天线中有缝隙，图1中以纳米结构体1的数量为四个为例示出。
纳米线2悬浮于空间中，一般处于胶体状态。纳米线2以及纳米线2两端的表面构成增益介质和光学谐振腔，在纳米线2两端的表面之间可以实现对光子的束缚，将光能量限制在纳米线2的轴向，可以实现光放大和反馈，进而满足形成激光的条件，形成纳米激光，纳米激光出射方向沿着纳米线2的方向，如图4所示。
纳米激光出射方向不会发生变化，出射方向固定沿着纳米线2的方向。纳米天线捕获纳米线2，使得纳米线2的位于缝隙对应的位置之间，纳米线2与水平线之间的夹角并不固定，可以根据偏振态进行调整，以使得纳米线2与水平线之间的夹角为所需的角度。
需要说明的是，本申请中对纳米线2两端的表面的平整度不做限定。优选地，所述纳米线2两端的表面为光滑平整的表面，有利于形成更好的光学谐振腔。
纳米线2的材料为半导体材料，本申请中对于纳米线2的具体种类不做限定，例如，所述纳米线2的材料为二元半导体材料或者三元半导体材料，其中，二元半导体材料包括但不限于ZnO(氧化锌)、GaN(氮化镓)、ZnS(硫化锌)、CdS(硫化镉)、CdSe(硒化镉)，三元半导体材料包括但不限于CdSSe(硒硫化镉)、ZnCdS(硫镉化锌)、InGaN(铟氮化镓)、InGaAs(铟砷化镓)。高折射率的纳米线2更利于形成良好的增益介质。
所述纳米线2的截面形状包括但不限于圆形、椭圆形、矩形、三角形、六角形中的任一种。
需要指出的是，本申请中对纳米结构体1的形状不做限定，例如，长方体、棱柱、椭圆柱、圆柱体等。优选地，所述纳米结构体1的形状为圆柱体，以简化纳米结构体1的制作难度，并良好的适配圆形偏振光。
当纳米结构体1的形状为圆柱体时，可选的，所述纳米结构体1的直径可以在180nm～220nm之间，高度可以在180nm～220nm之间，所述纳米结构体1间的缝隙可以在45nm～55nm之间。
激发光可以为线偏振平面波、圆形偏振光或其他特殊光束，激发光在纳米天线附近形成不同场强空间分布的光学耦合近场。纳米天线作为纳米光镊装置，通过波导3耦合光产生光学热点，将附近的纳米线2捕获并进行光学操纵，比如改变纳米线2的空间位置和角度。纳米线2的空间位置和相对角度的变化可以引起出射的纳米激光方向的不同。纳米天线的光学热点一方面提供足够强的光学力和力矩改变纳米线2空间位置和角度，更重要的一点，在本申请的纳米激光器中充当纳米线2的强光光学泵浦源，实现粒子数反转。
本申请中对纳米激光的波长的调控可以通过调节纳米线2的位置来调节纳米天线的光学热点在纳米线2中的位置，实现对纳米线2上的不同位置进行光学泵浦和激励，进而获得不同的增益，实现对纳米激光波长的调谐；另外需要指出的是，通过调整纳米线2的材料、截面形状以及纳米线2的长度可以显著改变带隙，所以，还可以通过改变纳米线2的材料、截面形状以及长度，大范围调节出射纳米激光的波长。
本申请纳米线2激光器中的纳米天线包括多个相互分离的纳米结构体1，纳米结构体1之间存在缝隙，当激发光耦合进入纳米天线，缝隙实现激发光的进场局限和放大，即由纳米天线提供泵浦光，无需额外设置外部泵浦部件，降低纳米线2激光器的复杂程度，同时激发光激发纳米天线的光学热点，即纳米天线作为纳米光镊装置，提供光学力和光学力矩，进而使纳米天线捕获纳米线2，同时对纳米线2进行无接触操控，通过调节纳米线2的位置来调节纳米天线的光学热点在纳米线2中的位置，实现对纳米线2上的不同位置进行光学泵浦和激励，进而获得不同的增益，实现对纳米激光波长的调谐；另外，当纳米天线中没有激发光时，纳米天线中的光学热点立即消失，被捕获的纳米线2也被立即释放，实现对纳米线2的可逆、可控操控，且不会破坏或改变纳米线2的结构，便于在室温下实现波长的可逆调谐，且操控的重复性高。
由于本申请纳米线2激光器有较大的波长可调谐范围，这将极大的推动和扩展纳米线2激光器进入各种应用领域，例如在光纤通讯中的密集波分复用系统，白光光源产生，激光雷达，利用波长调谐效应产生的光学传感器等领域发挥重要作用。同时，还具有结构简单，稳定方便，空间体积小的优势。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施中，请参考图5，纳米线2激光器还包括：
用于传输所述激发光的波导3，所述纳米天线设于所述波导3的上表面并与所述波导3耦合。
波导3的截面形状包括但不限于长方形、正方形、梯形、六边形，波导3可以置于玻璃衬底上。
激发光从波导3一端耦合进波导3之中，在满足波导3本身光传输条件下，波导3的光波导模场被激发，该光波导模场沿波导3轴向传播，在纳米天线位置，波导3中的光波导模场耦合进纳米结构体1，纳米结构体1之间的纳米缝隙实现光的近场局限和放大。
需要指出的是，本申请中对波导3和纳米天线的材料不做限定，波导3和纳米天线的材料可以为金属材料，或者非金属材料。优选地，所述波导3和所述纳米天线的材料均为非金属材料，同时由于纳米线2的材料为半导体材料，即纳米线2激光器的材料均为非金属材料，避免出现焦耳热效应，可以减小热噪声。其中，所述波导3和所述纳米天线的材料可以均为硅。
本实施例中通过在纳米线2激光器中设置波导3，有利于纳米线2激光器与其他光子器件集成在同一衬底上，形成完整的光子集成电路。另外将纳米线2和纳米天线放在硅基波导3上面进行耦合的方案，还可以解决激光远场发散问题。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参考图6，纳米线2激光器中所述纳米线2的数量为多个。
本实施例中纳米天线中缝隙的数量与纳米线2的数量相等，可以同时操纵和对齐多个纳米线2，形成复合型多腔体纳米线激光器。每个纳米线2中均可出射纳米激光，设置多个纳米线2可以增加纳米线激光器的激光输出功率，并且可以降低激光阈值，使得纳米线激光器更容易产生激光。另外，当多个纳米线2不处于同一直线上时，还可以增加纳米激光的分布方向，如图6中的纳米线2分布在横向和纵向两个方向上，横向和纵向均有纳米激光射出。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的纳米线激光器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种纳米线激光器，其特征在于，包括纳米天线和纳米线，所述纳米天线包括多个相互分离的纳米结构体；
当激发光耦合进入所述纳米天线，所述纳米结构体间的缝隙对所述激发光进行进场局限和放大，且激发所述纳米天线的光学热点，以使所述纳米天线捕获所述纳米线，并通过控制所述纳米线的位置来调节所述光学热点在所述纳米线中的位置；
所述纳米线中产生并出射纳米激光；
当所述纳米天线中没有激发光时，所述纳米天线释放所述纳米线；当所述纳米天线捕获所述纳米线，使得所述纳米线位于所述纳米结构体间的缝隙对应的位置之间，所述纳米线与水平线之间的夹角根据激发光偏振态进行调整；
所述纳米结构体的直径在180nm~220nm之间，高度在180nm~220nm之间，所述纳米结构体间的缝隙在45nm~55nm之间。
2.如权利要求1所述的纳米线激光器，其特征在于，还包括：
用于传输所述激发光的波导，所述纳米天线设于所述波导的上表面并与所述波导耦合。
3.如权利要求2所述的纳米线激光器，其特征在于，所述波导和所述纳米天线的材料均为非金属材料。
4.如权利要求3所述的纳米线激光器，其特征在于，所述波导和所述纳米天线的材料均为硅。
5.如权利要求1所述的纳米线激光器，其特征在于，所述纳米线两端的表面为光滑平整的表面。
6.如权利要求1所述的纳米线激光器，其特征在于，所述纳米结构体的形状为圆柱体。
7.如权利要求1所述的纳米线激光器，其特征在于，所述纳米线的材料为二元半导体材料或者三元半导体材料。
8.如权利要求1所述的纳米线激光器，其特征在于，所述纳米线的截面形状为圆形、椭圆形、矩形、三角形、六角形中的任一种。
9.如权利要求1至8任一项所述的纳米线激光器，其特征在于，所述纳米线的数量为多个。
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