本發(fā)明涉及激光技術領域,尤其涉及一種基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器。
背景技術:
激光被認為是20世紀最重要的發(fā)明之一,20世紀六十年代美國人梅曼首先發(fā)明了世界上第一臺紅寶石固體激光器。經過半個多世紀的發(fā)展與進步,激光器的發(fā)展方向正朝著微型化體積、更快調制和傳播速度、更大功率、損耗更低等方向飛速發(fā)展。在2003年以前,由于制備工藝的限制和科學理論的不成熟,激光器的尺寸很難繼續(xù)縮小并突破衍射極限。現如今微納技術逐步成熟,隨之而來激光器的空間尺寸再不斷縮小,已經步入到微米量級甚至納米量級的時代。但是由于傳統(tǒng)激光器采用的是光學反饋系統(tǒng),所以衍射極限一直是其難以突破的瓶頸。器件諧振腔長尺寸則至少是其入射波長的一半,也就是說微型化和集成化很難實現。
表面等離子體也因其在衍射極限下展示出優(yōu)良的限制、傳導光的能力,吸引著越來越多的關注?;诒砻娴入x子體激元的納米激光器則可以實現深亞波長甚至納米波長的輻射發(fā)光,這使得激光器的微型化成為可能,然而設計高性能的基于表面等離子體波導的納米激光器存在著模場局域性和損耗的矛盾問題,即獲得局域性好的模場分布則會存在較大的傳輸損耗,保持較低的傳輸損耗又會導致模場的局域性差。近些年來,混合表面等離子體波導結構的提出在一定程度上實現了高局域性模場分布和低損耗傳輸的共存,在混合表面等離子體波導中,表面等離子體模式和介質波導模式在低折射率間隙中相互耦合,使得這層間隙起到了儲存能量的作用,這在促使了減小傳輸損耗的同時增強了光場的局域性。目前,諸多研究小組對混合表面等離子體波導結構進行了研究,并且獲得一定成效,但是該結構仍然有一定的提升空間,尤其石墨烯、二硫化鉬等材料的出現,促使該結構性能的進一步提升。
技術實現要素:
本發(fā)明要解決的技術問題在于針對現有技術中能量損耗較大,在室溫下實現困難,模式場分布不集中,導致納米激光器的閾值較大,綜合性能較差的缺陷,提供了一種能量損耗小,可以在室溫下實現,閾值更小,綜合性能更優(yōu)的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:
本發(fā)明提供一種基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器,包括:半導體納米線、上SiO2層、MoS2層、下SiO2層、金屬納米線以及包裹金屬納米線的SiO2層,其中:
上SiO2層和下SiO2層的橫向中間位置均設置有空氣槽,上SiO2層和下SiO2層之間被MoS2層間隔;半導體納米線位于上SiO2層之上,并與上SiO2層橫向中間位置的空氣槽通過兩個交點相連;金屬納米線位于下SiO2層下方,且包裹在SiO2層內部,金屬納米線與下SiO2層橫向中間部分的空氣槽通過一個交點相連。
進一步地,本發(fā)明的半導體納米線為通過元素摻雜形成的量子阱結構或超晶格結構,增益介質腔體的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化鋅中的任意一種。
進一步地,本發(fā)明的半導體納米線的橫截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。
進一步地,本發(fā)明的金屬納米線材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。
進一步地,本發(fā)明的上SiO2層、MoS2層和下SiO2層組成間隔層,間隔層用于隔開半導體納米線和金屬納米線。
進一步地,本發(fā)明的半導體納米線和金屬納米線表面的等離子激元之間能夠發(fā)生耦合,在間隔層中形成亞波長限制的等離子激元雜化振蕩光場。
進一步地,本發(fā)明的半導體納米線和金屬納米線的半徑比值在0.8到1.2之間。
進一步地,本發(fā)明的上SiO2層和下SiO2層的橫向中間的空氣部分的寬度為半導體納米線半徑的0.1到0.4倍。
進一步地,本發(fā)明的激光器的尺寸為納米級。
本發(fā)明產生的有益效果是:本發(fā)明的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器,通過在設計中半導體納米線金屬納米線均采用圓柱形,形成了良好的模式局域性;在金屬納米線與半導體納米線加入空氣槽和新材料MoS2可以降低損耗,這是因為金屬界面的表面等離子體模式與半導體納米線波導模式耦合導致部分電場能量局域在納米線和金屬基底之間的空隙間,空氣槽可以起到儲存能量的作用,最終實現納米激光器模式的高局域性和傳播的低損耗。解決了目前激光器中損耗與模式局域性不能同時優(yōu)化的問題,實現了激光器綜合性能的提升。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明,附圖中:
圖1是本發(fā)明實施例的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器的立體結構示圖;
圖2是本發(fā)明實施例的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器的平面示圖;
圖中,1-半導體納米線,2-上SiO2層,3-MoS2層,4-下SiO2層,5-金屬納米線,6-SiO2層。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結合附圖及實施例,對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
如圖1、2所示,本發(fā)明實施例的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器,包括:半導體納米線1、上SiO2層2、MoS2層3、下SiO2層4、金屬納米線5以及包裹金屬納米線5的SiO2層6,其中:
上SiO2層2和下SiO2層4的橫向中間位置均設置有空氣槽,上SiO2層2和下SiO2層4之間被MoS2層3間隔;半導體納米線1位于上SiO2層2之上,并與上SiO2層2橫向中間位置的空氣槽通過兩個交點相連;金屬納米線5位于下SiO2層4下方,且包裹在SiO2層6內部,金屬納米線5與下SiO2層4橫向中間部分的空氣槽通過一個交點相連。
半導體納米線1為通過元素摻雜形成的量子阱結構或超晶格結構,增益介質腔體1的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化鋅中的任意一種。
半導體納米線1的橫截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。金屬納米線材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。
上SiO2層2、MoS2層3和下SiO2層4組成間隔層,間隔層用于隔開半導體納米線1和金屬納米線5。
半導體納米線1和金屬納米線5表面的等離子激元之間能夠發(fā)生耦合,在間隔層中形成亞波長限制的等離子激元雜化振蕩光場。SiO2層6能夠有效減少等離子激元振蕩中的金屬熱損失。半導體納米線1和金屬納米線5縱向的中間部分的間隔層則使模式場局域在了間隔層部分,MoS2層的使得激光器的損耗下降,從而促進整體性能的提升。
半導體納米線1的截面形狀為正方形、三角形、五邊形、六邊形、圓形、橢圓形、梯形中任意一種。作為一種優(yōu)選的實施例,增益介質腔體1為圓柱形,半徑為80納米,材料選為硫化鎘。
金屬納米線5材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。
該激光器在上SiO2層的厚度和下SiO2層的厚度為5納米,其損耗和閾值達到最低。
半導體納米線材質為硫化鎘,通過元素摻雜形成的量子阱結構或超晶格結構;金屬納米線的半徑為80納米,材質為銀,其綜合性能最好。該結構具有較高的模式局域性,其品質因子能均能達到400以上,最高能可達到1300,歸一化模式面積均小于0.1,實現了光場的深亞波長約束;其激光器的損耗較低,有效傳播損耗均小于0.05,閾值均小于1.4/微米,最小閾值只有0.22/微米。
本實施例中的納米激光器出射激光的波長為489納米。
本發(fā)明的技術效果和優(yōu)點如下:
設計中金屬部分和半導體增益部分均采用圓柱形,有利于形成良好的模式局域性;在金屬納米線與半導體納米線加入空氣槽和新材料MoS2實現了損耗的降低,這是因為金屬界面的表面等離子體模式與半導體納米線波導模式耦合導致部分電場能量局域在納米線和金屬基底之間的空隙間,空氣槽可以起到儲存能量的作用,最終的納米激光器的結構實現了納米激光器的模式的高局域性和傳播的低損耗。這樣,有效解決了現有技術中的納米激光器能量損耗大,在室溫下實現困難,模式的分布不集中,導致納米激光器的閾值較大,綜合性能較差的技術問題,實現了能量損耗小,可以在室溫下實現,閾值更小,綜合性能更優(yōu)的技術效果。
應當理解的是,對本領域普通技術人員來說,可以根據上述說明加以改進或變換,而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。