一种低阈值表面等离子体纳米激光器

摘要

本发明公开了一种低阈值表面等离子体纳米激光器，包括：增益介质纳米线、第一SiO2层、石墨烯纳米带、第二SiO2层、金属纳米线以及空气槽，其中：石墨烯纳米带包裹在金属纳米线上；第一SiO2层、空气槽、第二SiO2层均设置在石墨烯纳米带上方，且第一SiO2层和第二SiO2层对称设置在空气槽的两侧；增益介质纳米线设置在第一SiO2层和第二SiO2层的上方，空气槽将增益介质纳米线和石墨烯纳米带间隔开；空气槽与两侧的第一SiO2层、第二SiO2层的连接处形成两条棱，增益介质纳米线通过这两条棱分别与第一SiO2层、第二SiO2层相连。本发明能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，动力学过程超快，光波长可调谐，尺寸更小，结构简单，综合性能更优。

权利要求

1.一种低阈值表面等离子体纳米激光器，其特征在于，包括：增益介质纳米线(1)、第一SiO2层(2)、石墨烯纳米带(3)、第二SiO2层(4)、金属纳米线(5)以及空气槽(6)，其中：石墨烯纳米带(3)包裹在金属纳米线(5)上；第一SiO2层(2)、空气槽(6)、第二SiO2层(4)均设置在石墨烯纳米带(3)上方，且第一SiO2层(2)和第二SiO2层(4)对称设置在空气槽(6)的两侧；增益介质纳米线(1)设置在第一SiO2层(2)和第二SiO2层(4)的上方，空气槽(6)将增益介质纳米线(1)和石墨烯纳米带(3)间隔开；空气槽(6)与两侧的第一SiO2层(2)、第二SiO2层(4)的连接处形成两条棱，增益介质纳米线(1)通过这两条棱分别与第一SiO2层(2)、第二SiO2层(4)相连；

增益介质纳米线(1)的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、卤化铅钙钛矿中的任意一种；

第一SiO2层(2)、石墨烯纳米带(3)、第二SiO2层(4)构成基底层，用于支撑并隔离增益介质纳米线(1)和金属纳米线(5)；

增益介质纳米线(1)和石墨烯纳米带(3)以及金属纳米线(5)的表面等离子体激元发生耦合，在空气槽(6)内形成深亚波长约束的杂化等离子体激元振荡光场。

2.根据权利要求1所述的低阈值表面等离子体纳米激光器，其特征在于，增益介质纳米线(1)的结构为：通过元素掺杂形成的量子阱结构、超晶格结构或有机-无机杂化钙钛矿结构。

3.根据权利要求1所述的低阈值表面等离子体纳米激光器，其特征在于，增益介质纳米线(1)的腔体结构为环形或柱形；增益介质纳米线(1)的横截面形状为三角形、正方形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。

4.根据权利要求1所述的低阈值表面等离子体纳米激光器，其特征在于，金属纳米线(5)的材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。

5.根据权利要求1所述的低阈值表面等离子体纳米激光器，其特征在于，增益介质纳米线(1)的半径和金属纳米线(5)的半径比值在0.89到1.33之间。

6.根据权利要求1所述的低阈值表面等离子体纳米激光器，其特征在于，空气槽(6)的宽度为90nm时，其损耗和阈值达到最低，分别为0.0096和0.14μm-1，归一化模式面积为

0.004。

说明书

一种低阈值表面等离子体纳米激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳光子和激光技术领域，尤其涉及一种低阈值表面等离子体纳米激光器。

背景技术

[0002] 自从20世纪60年代第一台激光器问世以来，激光器和人类的其它重大发明一样，对人类的生产、生活等方面产生了巨大影响。近年来，纳米技术迅速发展，对信息、材料等领域产生了深远的影响，包括激光器在内的光子器件也逐渐趋于微型化、高度集成化。然而受制于衍射极限，在传统的半导体激光器结构中，其空间尺寸和模式尺寸都大于半个波长，激光器的小型化受到了阻碍，严重制约了其与纳米光电器件的集成。

[0003] 表面等离激元光子学以电磁辐射和传导电子在金属-介质界面或在金属纳米结构中所产生的亚波长尺度近场光学效应为基础，因能有效克服光学衍射极限这一物理瓶颈及实现局域电磁场增强而受到巨大关注。基于表面等离激元的纳米激光器，因其物理尺寸和模式尺寸同时具有远超越衍射极限的能力，被称为世界上最小的激光器，是目前激光器小型化最有效的技术方法之一。然而由于表面等离激元需引入金属来激发，而金属的存在意味着这种激光器具有高损耗的特点。为了尽量降低金属内部产生的损耗，通常选用具有较低内部自由电子散射速率的金属，如金或银，然而即使采用这样的贵金属，在可见及近红外波段内，仍然因为过高的损耗使得表面等离激元激光器无法获得实际应用。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是：降低金属损耗，平衡传等离子体激元传播损耗和模式场限制之间的矛盾，提供一种能量损耗小、阈值低且可在室温下激发，最高工作温度40℃下的一种低阈值表面等离子体纳米激光器。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 本发明提供一种低阈值表面等离子体纳米激光器，包括：增益介质纳米线、第一SiO2层、石墨烯纳米带、第二SiO2层、金属纳米线以及空气槽，其中：

[0007] 石墨烯纳米带包裹在金属纳米线上；第一SiO2层、空气槽、第二SiO2层均设置在石墨烯纳米带上方，且第一SiO2层和第二SiO2层对称设置在空气槽的两侧；增益介质纳米线设置在第一SiO2层和第二SiO2层的上方，空气槽将增益介质纳米线和石墨烯纳米带间隔开；空气槽与两侧的第一SiO2层、第二SiO2层的连接处形成两条棱，增益介质纳米线通过这两条棱分别与第一SiO2层、第二SiO2层相连。

[0008] 进一步地，本发明的增益介质纳米线的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、卤化铅钙钛矿中的任意一种。

[0009] 进一步地，本发明的增益介质纳米线的结构为：通过元素掺杂形成的量子阱结构、超晶格结构或有机-无机杂化钙钛矿结构。

[0010] 进一步地，本发明的增益介质纳米线的腔体结构为环形或柱形；增益介质纳米线的横截面形状为三角形、正方形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。

[0011] 进一步地，本发明的金属纳米线的材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。

[0012] 进一步地，本发明的第一SiO2层、石墨烯纳米带、第二SiO2层构成基底层，用于支撑并隔离增益介质纳米线和金属纳米线。

[0013] 进一步地，本发明的增益介质纳米线和石墨烯纳米带以及金属纳米线的表面等离子体激元发生耦合，在空气槽内形成深亚波长约束的杂化等离子体激元振荡光场。

[0014] 进一步地，本发明的增益介质纳米线的半径和金属纳米线的半径比值在0.89到1.33之间。

[0015] 进一步地，本发明的空气槽的宽度为90nm时，其损耗和阈值达到最低，分别为0.0096和0.14μm-1，归一化模式面积为0.004。

[0016] 本发明产生的有益效果是：本发明的低阈值表面等离子体纳米激光器，通过设计增益介质纳米线的形状为圆柱形或环形，金属纳米线为半圆柱形，有效的缩小了激光器的尺寸同时形成了良好的模场局域性；在SiO2层和金属纳米线之间加入石墨烯纳米带夹层，有效的降低了金属的热损耗，并起到缓冲的作用，提高了结构的稳定性和可靠性，这是因为石墨烯具有优异的导热性和柔韧性；空气槽可以起到约束模场能量的作用,最终实现纳米激光器模式的高局域性和传播的低损耗。

附图说明

[0017] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

[0018] 图1是本发明实施例的低阈值表面等离子体的纳米激光器的立体结构示意图；

[0019] 图2是本发明实施例的低阈值表面等离子体的纳米激光器的平面示意图；

[0020] 图3是本发明实施例中激光器对应输出波长为490nm时阈值与空气槽的宽度的关系示意图；

[0021] 图中，1-增益介质纳米线，2-第一SiO2层，3-石墨烯带，4-第二SiO2层，5-金属纳米线，6-空气槽。

具体实施方式

[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0023] 首先用微机剥离法将石墨烯转移到SiO2层上，形成石5nm厚的石墨烯纳米带，然后在石墨烯下蒸镀Ag,形成半圆形金属纳米线，利用聚焦离子束技术(focused ionbeam,FIB)在SiO2层表面刻蚀一个宽度为wg,厚度为ht的空气间隙槽，ht为介质纳米线底端到石墨烯顶部的距离。最后通过微纳操作在该空气槽口上沿其轴向放置一作为增益介质的CdS纳米线，为扩大增益介质波导与SP波的耦合面积，构成F-P腔的纳米线两端采用圆形。

[0024] 如图1、图2所示，本发明实施例的低阈值表面等离子体纳米激光器，包括：增益介质纳米线1、第一SiO2层2、石墨烯纳米带3、第二SiO2层4、金属纳米线5以及空气槽6，其中：石墨烯纳米带3包裹在金属纳米线5上；第一SiO2层2、空气槽6、第二SiO2层4均设置在石墨烯纳米带3上方，且第一SiO2层2和第二SiO2层4对称设置在空气槽6的两侧；增益介质纳米线1设置在第一SiO2层2和第二SiO2层4的上方，空气槽6将增益介质纳米线1和石墨烯纳米带3间隔开；空气槽6与两侧的第一SiO2层2、第二SiO2层4的连接处形成两条棱，增益介质纳米线1通过这两条棱分别与第一SiO2层2、第二SiO2层4相连。

[0025] 表面等离子体波的模式特性以及增益阈值是表征表面等离子体纳米激光器的重要指标。其中模式特性主要包括有效折射率、传播损耗、归一化模式面积和限制因子。

[0026] 其中有效折射率和有效传播损耗分别对应于等离子体波导相对传播常数的实部和自由空间相对波矢量的虚部。

[0027] 归一化模式面积的计算表达式如下：

[0028]

[0029] 其中Aeff为有效模场面积，A0为衍射极限小孔面积，归一化模式面积为有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。

[0030] 归一化模式面积的大小表征模式的模场约束能力，该值小于1的情形对应亚波长的尺寸约束，当该值远小于1时对应深亚波长的光场约束。

[0031] 限制因子用于表征增益介质纳米线的场强限制能力，其定义为增益介质纳米线中的电场能量与该模式波导的总电能之比。

[0032] 激光器的增益阈值计算公式如下：

[0033] gth＝(k0aeff+ln(1/R)/L)/(neff/nwire)

[0034] 其中,k0＝2π/λ为真空中的波数，nwire为增益介质纳米线的折射率,neff为模式的有效折射率实部,比例因子neff/nwire为模式有效折射率的增强部分，Γ为限制因子，R为端面反射率。端面反射率定义为:

[0035] R＝(neff-1)/(neff+1)

[0036] 实例：

[0037] 图2是本发明实施例的低阈值表面等离子体的纳米激光器的平面示意图；左右SiO2层宽度相同，为150nm，高度相同，为97.54nm,增益介质纳米线半径为80nm,石墨烯纳米带厚度为5nm,激光器纵向长度为10μm。

[0038] 在本实例中，激光器的输出波长为490nm,1的材料为硫化铬，折射率为2.4，5的材料为Ag,其相对介电常数为-9.2+0.3i，石墨烯的介电常数为2.2+4.8i。

[0039] 该激光器在空气槽宽度为35nm纳米,金属纳米线半径为90nm时，其损耗和阈值达到最低，分别为0.0096和0.14μm-1，归一化模式面积为0.004，综合性能最好。该结构具有较高的模式局域性,其归一化模式面积均小于0.1,实现了光场的深亚波长约束；其激光器的损耗较低,有效传播损耗均小于0.04。

[0040] 图3是本发明实施例中激光器对应输出波长为490nm时阈值与空气槽的宽度及金属纳米线半径的关系示意图；由图可知随着空气槽的宽度增大，阈值逐渐减小，当空气槽增大到35nm时，金属纳米线半径为90nm时阈值最小，本实例阈值均小于1.15/微米,最小阈值只有0.14/微米。

[0041] 本实例在SiO2层和金属纳米线之间加入石墨烯纳米带夹层，有效的降低了金属的热损耗，并起到缓冲的作用，提高了结构的稳定性和可靠性，这是因为石墨烯具有优异的导热性和柔韧性。空气槽可以起到约束模场能量的作用,最终实现纳米激光器模式的高局域性和传播的低损耗。本实例有效的降低了金属损耗，平衡了传等离子体激元传播损耗和模式场限制之间的矛盾，可以在室温下实现,阈值更小,动力学过程超快，光波长可调谐,尺寸更小,结构简单,综合性能更优。

[0042] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。