一種基于表面等離子體增強的納米激光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微納光學(xué)以及光電子學(xué)領(lǐng)域，特別涉及納米線激光器。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式。這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場強在界面處達到最大，且在界面兩側(cè)都沿垂直于界面的方向呈指數(shù)式衰減。表面等離子體具有較強的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠小于其自由空間傳輸波長的區(qū)域，且其性質(zhì)可隨金屬表面結(jié)構(gòu)變化而改變。在適當(dāng)?shù)慕饘倥c介質(zhì)組成的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，橫向光場分布可被限制在幾十納米甚至更小的范圍內(nèi)，能夠超過衍射的限制。
[0003]自上世紀(jì)60年代第一臺紅寶石激光器誕生以來，關(guān)于激光器的研究就一直吸引著世界各地的科研工作者。半導(dǎo)體激光器的出現(xiàn)，更使得激光器的應(yīng)用拓展到更為廣闊的空間，目前，紫外半導(dǎo)體激光器廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療、信息存儲、光電子學(xué)等領(lǐng)域，但隨著納米光學(xué)和納米光電子學(xué)這兩個新興學(xué)科的發(fā)展，納米激光器這一新的概念便成了人們研究的熱點。
[0004]過了半個世紀(jì)，各種不同形貌的納米線激光器結(jié)構(gòu)被接連設(shè)計出來，同時納米線的光學(xué)，電學(xué)，磁學(xué)等特性也被不斷被人們揭示出來，傳統(tǒng)的基于氧化鋅，硫化鎘等一些半導(dǎo)體納米激光器的研究引起了科學(xué)家廣泛關(guān)注，通過引入半導(dǎo)體納米線或納米陣列來制作納米尺度的激光器，其中半導(dǎo)體納米線既是光增益介質(zhì)，又可以是作為光學(xué)的諧振腔，然而這種微型的納米激光器已經(jīng)達到衍射極限的水平，同時又也限制了半導(dǎo)體激光器的最小尺寸，如何在有限的尺寸中，有效的提高納米線所激發(fā)光的強度，并且實現(xiàn)器件應(yīng)用成為最主要的難題。
[0005]為了解決上述問題，突破衍射極限的限制，使激光器尺寸的微型化，近年來基于表面等離子體技術(shù)的研究在克服這種限制方面取得了很大的進展，并逐步成為人們研究的熱點?；诒砻娴入x子體的這種特性，改進納米激光器的設(shè)計機構(gòu)，使得激光器件小型化和集成化。
[0006]在“plasmonlasers at deep subwavelength scale(深亞波長表面等離子體激光器)”(美國University of California,Berkeley的張翔等人于2009年發(fā)表于《Nature》第Vol.461，PP.629-632，)一文中公開了一種小型半導(dǎo)體激光器，該激光器是在銀薄膜表面蒸鍍一層厚為5nm的氟化鎂絕緣介質(zhì)層，然后在它的上面通過直徑約為10nm硫化鎘納米線的制備而成。對其照射激發(fā)光，使銀層與納米線之間產(chǎn)生表面等離子體，從而作為激光器的震蕩緩沖層，該激光器通過利用表面等離子體技術(shù)，提高緩沖層的場增強效應(yīng)。
[0007]在公告號為CN 101882752B的專利文件中公開了《一種表面的等離子體納米激光器》，該激光器包括基底層及其上的金屬薄膜層，增益介質(zhì)納米線，增益介質(zhì)納米線位于金屬薄膜層側(cè)面邊緣的一側(cè)，其軸線與金屬薄膜層邊緣平行且兩者之間有一定的間隙區(qū)域，從而利用間隙產(chǎn)生激光，但這種結(jié)構(gòu)只是利用的納米線的某個有金屬薄膜接觸的區(qū)域激發(fā)表面等離子體，其他不與金屬接觸的納米線發(fā)光區(qū)域并沒有激發(fā)表面等離子體，這使得納米線的發(fā)光強度降低，整體的能量利用率不高。
[0008]在公告號為CN 102148476B的專利文件中公開了一種《深度亞波長表面等離子體激元微腔激光器》，該激光器是將可產(chǎn)生橫向耦合的深度亞波長表面等離子體激元諧振腔與雙輸出端直波導(dǎo)制備在金屬薄膜襯底上，栗浦光源垂直于深度亞波長表面等離子體激元諧振腔的端面進入。使諧振腔與雙輸出端直波導(dǎo)橫向等離子體激元耦合從而產(chǎn)生激光。該激光光斑小，強度大。但是這個設(shè)計結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制備起來工藝要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是針對【背景技術(shù)】存在的缺陷，研究設(shè)計一種半導(dǎo)體-金屬諧包裹的環(huán)形結(jié)構(gòu)的光強度增強的納米等離子體激光器，利用金屬-半導(dǎo)體組成環(huán)形包裹結(jié)構(gòu)來激發(fā)表面等離子體，由于將整個納米線包裹在環(huán)形結(jié)構(gòu)中，從而將光場約束在更小的范圍內(nèi)，提高場增強效應(yīng)，起到約束、增強的效果。
[0010]本發(fā)明的解決方案是在氧化鋅納米線表面先濺射一定厚度的隔離介質(zhì)，用來做緩沖層，使其均勻包裹在納米線的表面，再濺射一層金屬薄膜層，均勻包裹在絕緣層的表面，以構(gòu)成由納米線/絕緣介質(zhì)/金屬薄膜/的環(huán)形機構(gòu)的表面等離子體激光器。因此本發(fā)明是一種基于表面等離子體的納米激光器，主要包括:基片、納米線、絕緣介質(zhì)層、金屬薄膜層；所述納米線生長于基片上，納米線側(cè)面濺射一層絕緣介質(zhì)，絕緣介質(zhì)層外側(cè)濺射一層金屬薄膜，絕緣介質(zhì)層的厚度與金屬薄膜層的厚度比為I: 10?1: 5。
[0011]進一步的，所述絕緣介質(zhì)層和金屬薄膜層的鍍膜工藝可以為離子束濺射、磁控濺射、對向靶濺射、射頻濺射等。
[0012]進一步的，所述納米線材料為氧化鋅、硫化鎘、氮化鎵、銻化鎵、砸化鎘、硫化鋅半導(dǎo)體材料中的任意一種。
[0013]進一步的，所述襯底材料為藍寶石。
[0014]進一步的，所述隔離材料為氟化鎂或二氧化硅。
[0015]本發(fā)明將可以實現(xiàn)光束控制的微納結(jié)構(gòu)設(shè)計與納米線激光器設(shè)計結(jié)合起來，設(shè)計出一種基于半導(dǎo)體-金屬環(huán)形包裹結(jié)構(gòu)的納米激光器。這樣的設(shè)計將能夠增強的納米線激光器的光輸出功率，從而實現(xiàn)納米線所發(fā)光完成聚焦，準(zhǔn)直，偏折。本發(fā)明具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高等諸多優(yōu)點。為提高納米激光器件的性能提供了全新的技術(shù)途徑。
【附圖說明】
[0016]圖1為半導(dǎo)體-金屬環(huán)形包裹結(jié)構(gòu)的納米激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為圖1的俯視圖；
[0018]圖3為仿真實驗中該納米線激光器的電場強分布圖；
[0019]圖4為該納米激光器的光場強仿真分布圖。
【具體實施方式】
[0020]實施案例I:本案例以納米線I材料為氧化鋅為例，折射率為2.45，半徑為lOOnm，長度為2μπι。絕緣介質(zhì)層2為二氧化硅，它的折射率為1.468，厚度為1nm;金屬薄膜層3的材料為銀，其折射率為-0.61805i，厚度為50nm;襯底4的材質(zhì)為氮化鎵，體積為(長X寬X高)40μπιΧ40μπιΧ50μπι;本實驗在密閉，真空的環(huán)境下，采用超高真空雙離子束濺射儀，本實施例采用兩個高純度的二氧化硅和銀為靶材，通過測量沉積速率和控制沉積沉積時間，使得二氧化硅膜沉積厚度和銀膜的沉積厚度比為1:4，本實施例控制的二氧化硅的沉積厚度為10nm，銀膜的沉積厚度為40nmo
[0021]本實例模擬單根的氧化鋅納米線進行仿真實驗，附圖3為本實例基于半導(dǎo)體-金屬環(huán)形包裹結(jié)構(gòu)的納米激光器的在y平面和z平面的電場分布圖，其中以氧化鋅納米線的中心為圓心，在100?IlOnm范圍內(nèi)的二氧化硅隔離層內(nèi)產(chǎn)生了巨大的場效應(yīng)增強，其最大的場強位于1Snm處，為1.5X101()V/m，且輸出的光場被較好地約束在二氧化硅隔離層內(nèi)。附圖4為本實例基于半導(dǎo)體-金屬環(huán)形包裹結(jié)構(gòu)的納米激光器激發(fā)后的光場仿真分布圖。
[0022]實施案例2:本案例采用實施案例I中的氧化鋅納米線，使用與實施案例I中相同的二氧化硅和銀靶材，通過測量沉積速率和控制沉積沉積時間，使得二氧化硅膜沉積厚度和銀膜的沉積厚度比為1:8，本實施例控制的二氧化硅的沉積厚度為5nm，銀膜的沉積厚度為40nm。經(jīng)過仿真計算，以氧化鋅納米線的中心為圓心，在100?105nm范圍內(nèi)產(chǎn)生了巨大的場效應(yīng)增強，其最大的場強位于104.5nm處，為lX101()V/m。
[0023]背景中，張翔等人在《深亞波長表面等離子體激光器》公開了一種小型的半導(dǎo)體激光器，它的功率密度最高達到131.25Mw.cm—2，最大場強36.2V/m;專利《一種表面的等離子體納米激光器》公開了一種納米等離子體激光器，這種激光器功率密度達到9X1017Mw.cm―2，最大場強3X109V/m。本設(shè)計是一種半導(dǎo)體-金屬諧包裹的環(huán)形結(jié)構(gòu)的光強度增強的納米等離子體激光器，激光器的功率密度達到2.25 X 119Mw.cm—2，場強1.5 X 101()V/m，相比背景中的激光器，本設(shè)計在功率密度和場強方面都有較大的提高，并且還具有體積小，閾值電流低，可直接調(diào)制等一系列優(yōu)點，對現(xiàn)代激光器的設(shè)計和研制都有一定的參考價值。
【主權(quán)項】
1.一種基于表面等離子體的納米激光器，主要包括:基片、納米線、絕緣介質(zhì)層、金屬薄膜層;所述納米線生長于基片上，納米線側(cè)面濺射一層絕緣介質(zhì)，絕緣介質(zhì)層外側(cè)濺射一層金屬薄膜，絕緣介質(zhì)層的厚度與金屬薄膜層的厚度比為I: 10?1: 5。2.如權(quán)利要求1所述的一種基于表面等離子體的納米激光器，其特征在于所述絕緣介質(zhì)層和金屬薄膜層的鍍膜工藝可以為離子束濺射、磁控濺射、對向靶濺射、射頻濺射等。3.如權(quán)利要求1所述的一種基于表面等離子體的納米激光器，其特征在于所述納米線材料為氧化鋅、硫化鎘、氮化鎵、銻化鎵、砸化鎘、硫化鋅半導(dǎo)體材料中的任意一種。4.如權(quán)利要求1所述的一種基于表面等離子體的納米激光器，其特征在于所述襯底材料為藍寶石。5.如權(quán)利要求1所述的一種基于表面等離子體的納米激光器，其特征在于所述隔離材料為氟化鎂或二氧化硅。
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種基于表面等離子體增強的納米激光器，屬于微納光學(xué)以及光電子學(xué)領(lǐng)域，特別涉及納米線激光器。解決方案是在氧化鋅納米線表面先濺射一定厚度的隔離介質(zhì)，用來做緩沖層，使其均勻包裹在納米線的表面，再濺射一層金屬薄膜層，均勻包裹在絕緣層的表面，以構(gòu)成由納米線/絕緣介質(zhì)/金屬薄膜/的環(huán)形機構(gòu)的表面等離子體激光器。具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高等諸多優(yōu)點。為提高納米激光器件的性能提供了全新的技術(shù)途徑。
【IPC分類】H01S5/30
【公開號】CN105552716
【申請?zhí)枴緾N201610125719
【發(fā)明人】趙青, 林恩, 黃小平, 王鵬, 焦蛟
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2016年5月4日
【申請日】2016年3月4日