CN205646433U - 一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器，包括：基底层、增益介质腔体、金属薄膜层及绝缘介质层；增益介质腔体与基底层上表面接触。金属薄膜层设置在增益介质腔体的两侧；金属薄膜层与基底层的上表面接触。绝缘介质层设置在增益介质腔体与金属薄膜层之间；绝缘介质层的中部开设有纵向通孔，进而形成间隙区；增益介质腔体的两侧位于间隙区。该表面等离子激元纳米激光器能合理平衡能量损耗与局域模限制，方便制造，尺寸更小，阈值更小，综合性能更优。

Description

一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，特别涉及一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器。

背景技术

激光(LASER)以其良好的单色性、较高的单位能量及其高相干性等优良特性被人们广泛开发并用于不同方面的科学研究和实际的应用中，用于激光器的材料也越来越广泛，激光器的尺寸也越来越小。近年来，随着纳米技术的发展，器件微型化逐渐成为趋势。人们对纳米世界的深入探索，需要超小，超快的激光器将光的能量集中到亚波长尺寸区域。然而由于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，因此微纳米激光器在尺度上无法再继续缩小。

基于表面等离子体激元(Surface Plasmons，SPs)的纳米激光器与传统的激光器不同，它将激光器中受激辐射放大的光子用表面等离子体激元替代，表面等离子体激元存在于金属与介电材料的交界面处，是一种自由电子与入射电磁场发生相互耦合而产生的沿着金属表面传播的电荷密度波。由于电荷密度振荡发生在金属表面处，因此SPs波的传播场是高度局域并向金属和介质中指数衰减的，这样就突破了衍射极限，为实现激光器的亚波长化提供了可能。

表征纳米激光器的两个重要指标:模式特性和增益阈值。其中模式特性主要依靠模式的传播损耗和模式场区域尺寸来表征。模式的传播损耗由模式的有效折射率的虚部a_eff来表征。模式场的区域尺寸的物理定义：

$A_m=\frac{1}{\max \[W\left(r\right)\]}\∫\∫W\left(r\right)d^{2}r$

∫∫W(r)d²r是对横截面内的传播的电磁能量密度的积分，W(r)是横截面内的最大能量密度。A_m越小，说明波导模式场的局域程度越高。理想情况下，高品质的纳米激光器的模式特性需要同时具备低损耗和高局域化的传播场，但是实际上，模式特性的这两个衡量标准是不能同时取最优值的，两者是矛盾的。这是因为当波的传播场局域在金属的表面，传播场局域程度的提高必然会导致更多的传播能量渗透到金属内部,然而金属损耗是纳米激光器面对的主要损耗，这样损耗就会增加。由此可见，要想获得优良的模式特性，必须处理好两者之间的平衡关系。

阈值水平是衡量纳米激光器工作品质的一个重要的指标。一般来说，激光器的阈值水平就是使得设计的激光器达到受激辐射所需要的光学增益的多少或是大小。设计激光器的阈值水平越低，达到受激辐射所需要的光学增益就越少，其工作品质就越高。激光器的阈值可以表示为：g_th＝(k₀a_eff+ln(1/R)/L)/(n_eff/n_wire)；其中,真空中的波数n_wire为增益介质纳米线的折射率，n_eff为模式的有效折射率实部,比例因子n_eff/n_wire为模式有效折射率的增强部分，端面反射率R＝(n_eff-1)/(n_eff+1)。

现有技术中的纳米激光器尺寸较大，制造难度大，无法较好的平衡能量损耗与局域模限制，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差。

实用新型内容

本申请提供的一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器，解决了或部分解决了现有技术中的纳米激光器尺寸较大，制造难度大，无法较好的平衡能量损耗与局域模限制，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的技术问题，实现了合理平衡能量损耗与局域模限制，方便制造，尺寸更小，阈值更小，综合性能更优的技术效果。

本申请提供了一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器，包括：

基底层；

与所述基底层上表面接触的增益介质腔体；

设置在所述增益介质腔体两侧的金属薄膜层；所述金属薄膜层与所述基底层的上表面接触；

设置在所述增益介质腔体与所述金属薄膜层之间的绝缘介质层；所述绝缘介质层的中部开设有纵向通孔，进而形成间隙区；所述增益介质腔体的两侧位于所述间隙区。

作为优选，所述增益介质腔体为球形或柱形。

作为优选，所述增益介质腔体的截面形状为正方形、三角形、五边形、六边形、圆形、椭圆形、梯形中任意一种。

作为优选，所述增益介质腔体为圆柱形，半径为60至100纳米。

作为优选，所述增益介质腔体的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。

作为优选，所述增益介质腔体为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构。

作为优选，所述绝缘介质层与所述基底层的材料相同。

作为优选，所述绝缘介质层与所述基底层的材料为MgF₂。

作为优选，所述金属薄膜层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。

本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了在基底层的上表面设置增益介质腔体及在增益介质腔体两侧设置金属薄膜层，并在增益介质腔体与金属薄膜层之间设置中部开设有纵向通孔的绝缘介质层，通孔形成间隙区。这样，有效解决了现有技术中的纳米激光器尺寸较大，制造难度大，无法较好的平衡能量损耗与局域模限制，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的技术问题，实现了合理平衡能量损耗与局域模限制，方便制造，尺寸更小，阈值更小，综合性能更优的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器的立体结构示图；

图2为本实用新型实施例提供的基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器的平面示图。

(图示中各标号代表的部件依次为：1基底层，2金属薄膜层，3增益介质腔体，4绝缘介质层)

具体实施方式

本申请实施例提供的一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器，解决了或部分解决了现有技术中的纳米激光器尺寸较大，制造难度大，无法较好的平衡能量损耗与局域模限制，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的技术问题，实现了合理平衡能量损耗与局域模限制，方便制造，尺寸更小，阈值更小，综合性能更优的技术效果。

参见附图1和2，本申请提供了一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器，包括：基底层1、增益介质腔体3、金属薄膜层2及绝缘介质层4；增益介质腔体3与基底层1上表面接触。金属薄膜层2设置在增益介质腔体3的两侧；金属薄膜层2与基底层1的上表面接触。绝缘介质层4设置在增益介质腔体3与金属薄膜层2之间；绝缘介质层4的中部开设有纵向通孔，进而形成间隙区；增益介质腔体3的两侧位于间隙区。

其中，金属薄膜层2表面等离子激元和增益介质腔体3之间发生耦合在第一绝缘介质层4中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场，绝缘介质层4能够有效减少等离子激元振荡中的金属热损失。金属薄膜层2和增益介质腔体3振荡模的耦合能够将光局域到绝缘介质层4中。

进一步的，参见附图1，增益介质腔体3为球形或柱形。增益介质腔体3的截面形状为正方形、三角形、五边形、六边形、圆形、椭圆形、梯形中任意一种。作为一种优选的实施例，增益介质腔体3为圆柱形，半径为60至100纳米，因为半径越小，阈值越大，综合性能越差，半径越大，局域性越差，综合性能越差。

进一步的，增益介质腔体3的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。增益介质腔体3为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构。

进一步的，绝缘介质层4与基底层1的材料相同。作为一种优选的实施例，绝缘介质层4与基底层1的材料为MgF₂。

进一步的，金属薄膜层2材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。

下面通过具体实施例对本申请提供的表面等离子激元纳米激光器的结构特征进行详细说明：

金属薄膜层2置于基底层1的裸露表面上；增益介质腔体3与基底层1的裸露表面接触，绝缘介质层4置于增益介质腔体3的侧壁，且与基底层1的裸露表面接触。

金属薄膜层2的材质为铝；增益介质腔体3选用圆柱形，半径为80纳米，材质为氧化锌，通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构；绝缘介质层4纵向高度为20纳米。基底层1和绝缘介质层4的材料采用MgF₂材料，折射率的实部为1.38。

上述实施例中的纳米激光器出射激光的波长为489纳米。

本申请中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

由于采用了在基底层1的上表面设置增益介质腔体3及在增益介质腔体3两侧设置金属薄膜层2，并在增益介质腔体3与金属薄膜层2之间设置中部开设有纵向通孔的绝缘介质层4，通孔形成间隙区。这样，有效解决了现有技术中的纳米激光器尺寸较大，制造难度大，无法较好的平衡能量损耗与局域模限制，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的技术问题，实现了合理平衡能量损耗与局域模限制，方便制造，尺寸更小，阈值更小，综合性能更优的技术效果。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于绝缘介质空气槽的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，所述表面等离子激元纳米激光器包括：

基底层；

与所述基底层上表面接触的增益介质腔体；

设置在所述增益介质腔体两侧的金属薄膜层；所述金属薄膜层与所述基底层的上表面接触；

设置在所述增益介质腔体与所述金属薄膜层之间的绝缘介质层；所述绝缘介质层的中部开设有纵向通孔，进而形成间隙区；所述增益介质腔体的两侧位于所述间隙区。

2.如权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述增益介质腔体为球形或柱形。

3.如权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述增益介质腔体的截面形状为正方形、三角形、五边形、六边形、圆形、椭圆形、梯形中任意一种。

4.如权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述增益介质腔体为圆柱形，半径为60至100纳米。

5.如权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述增益介质腔体的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。

6.如权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述增益介质腔体为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构。

7.如权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述绝缘介质层与所述基底层的材料相同。

8.如权利要求7所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述绝缘介质层与所述基底层的材料为MgF₂。

9.如权利要求1所述的表面等离子激元纳米激光器，其特征在于，

所述金属薄膜层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。