一种纳米管表面等离子体激光器
阅读：780发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种纳米管表面等离子体激光器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 纳米管 表面 等离子体 激光器 结构，包含金属基底层(1)、位于其上方的介质 缓冲层 (2)，介质缓冲层上的增益介质纳米管(3)、增益介质纳米管中心的填充区域(4)以及包层(5)。增益介质纳米管和金属基底的耦合可显著的将光场限制在低折射率介质缓冲层中，实现对激光器输出光场的二维亚 波长 约束，同时增益介质纳米管中心低折射率填充介质的存在使得整个激光器仍能保持较低的传输损耗。所提纳米管 表面等离子体 激光器易用现有的加工工艺实现，可用于构建各类平面集成纳米有源器件。，下面是一种纳米管表面等离子体激光器专利的具体信息内容。
1.一种纳米管表面等离子体激光器结构，包含金属基底层、位于金属基底层上的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质纳米管、增益介质纳米管中心的填充区域以及包层；
其中，介质层缓冲层的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.1倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍；增益介质纳米管在激光器输出光的波长上具有光学增益，其最大宽度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍；增益介质纳米管中心的填充区域的最大宽度为激光器输出光的波长的
0.02-0.48倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.02-0.48倍，且增益介质纳米管中心的填充区域的最大宽度和最大高度分别小于增益介质纳米管的最大宽度和最大高度；增益介质纳米管及其中心的填充区域的纵向长度不超过100微米，且两者长度相等；在长度方向上，增益介质纳米管及其中心的填充区域的横截面形状和尺寸均保持不变；介质缓冲层的材料折射率不低于包层和增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率，包层和增益介质纳米管中心的填充区域的材料可为相同材料或不同材料，增益介质纳米管的材料折射率高于基底层、包层以及增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率，介质缓冲层、包层以及增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率的最大值与增益介质纳米管的材料折射率的比值小于0.75。
2.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中金属基底层的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。
3.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中增益介质纳米管的材料为有光学增益的有机材料或无机材料中的任何一种。
4.根据权利要求1所述的激光器结构，其特征在于，所述结构中增益介质纳米管和增益介质纳米管中心的填充区域的外轮廓的截面形状为矩形、三角形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。
一种纳米管表面等离子体激光器
技术领域
背景技术
[0002] 近年来，纳米线光子学技术的相关研究得到了国内外学者的广泛关注。由于纳米线具有优良的光学和电学特性，其已被应用于各类光学和光电器件，覆盖范围从导波到激发光辐射等。其中，半导体纳米线因其小尺寸、大折射率差的特点，已被用作稳定的激光光源。随着纳米科技的兴起，纳米激光器的研究成为一个崭新的重要课题。纳米激光器在诸多领域，包括电子通讯、信息存储、生化传感器、纳米光刻等方面都有很强的应用价值。
[0003] 另一方面，表面等离子体技术和激光技术的结合也成为当今一大研究热点。表面等离子体是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式，基于表面等离子体的结构可以将横向光场限制在远小于波长的尺寸范围，从而突破衍射极限的限制。很多研究者正利用表面等离子体突破衍射极限这一特点，致力于激光器元件的小型化。但是，为降低激光器的工作阈值，需要同时满足低损耗传输和增益介质区域的较强场限制能力这两个条件，而这正是传统表面等离子体激元光波导无法克服的问题。
[0004] 加州大学伯克利分校的张翔研究小组最新研究发现在低折射率介质/金属平面结构的附近添加一个高折射率介质层，可将光场约束到高折射率介质层和金属界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。该波导结构克服了传统表面等离子体激元光波导结构无法平衡模场限制能力和传输损耗这两个物理量的问题。基于该波导结构，该研究小组开发出了小型半导体激光器。该激光器是在银薄膜上通过厚5nm的氟化镁绝缘层制作载有直径约100nm的硫化镉纳米线的元件，对其照射激发光，使得银层与纳米线之间产生表面等离子体，从而作为激光器振荡。该激光器通过利用表面等离子体技术，将发光部的尺寸降至发射光波长的1/20以下，有利于大幅扩大光通信的通信容量及电路光化。
[0005] 这里，为了进一步降低上述混合型波导的传输损耗，我们这里采用增益介质纳米管结构，纳米管的中心由低折射率介质填充(如空气)。高折射率增益介质纳米管与金属基底的耦合，可将光场有效的分布在低折射率的介质缓冲层中，使其仍能保持较强的模场限制能力。该激光器结构加工方便，可兼容各类光波导及器件，为纳米线有源表面等离子体器件和集成光路奠定基础。
发明内容
[0006] 本发明提供了一种纳米管表面等离子体激光器结构，包含金属基底层、位于金属基底层上的介质缓冲层、介质缓冲层上的增益介质纳米管、增益介质纳米管中心的填充区域以及包层；其中，介质层缓冲层的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.1倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍；增益介质纳米管在激光器输出光的波长上具有光学增益，其最大宽度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.04-0.5倍；增益介质纳米管中心的填充区域的最大宽度为激光器输出光的波长的0.02-0.48倍，其最大高度为激光器输出光的波长的0.02-0.48倍，且增益介质纳米管中心的填充区域的最大宽度和最大高度分别小于增益介质纳米管的最大宽度和最大高度；增益介质纳米管及其中心的填充区域的纵向长度不超过100微米，且两者长度相等；在长度方向上，增益介质纳米管及其中心的填充区域的横截面形状和尺寸均保持不变；介质缓冲层的材料折射率不低于包层和增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率，包层和增益介质纳米管中心的填充区域的材料可为相同材料或不同材料，增益介质纳米管的材料折射率高于基底层、包层以及增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率，介质缓冲层、包层以及增益介质纳米管中心的填充区域的材料折射率的最大值与增益介质纳米管的材料折射率的比值小于0.75。
[0008] 所述纳米管表面等离子体激光器结构中增益介质纳米管的材料为有光学增益的有机材料或无机材料中的任何一种。
[0009] 所述纳米管表面等离子体激光器结构中增益介质纳米管和增益介质纳米管中心的填充区域的外轮廓的截面形状为矩形、三角形、五边形、六角形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。
[0010] 本发明的纳米管表面等离子体激光器具有以下优点：
[0011] 1.所提纳米管表面等离子体激光器基于增益介质纳米管模式和金属/介质缓冲层界面的表面等离子激元模式的耦合，可将辐射光场限制在低折射率介质缓冲层中，从而实现对激光器输出光场的二维亚波长约束，同时有相当一部分模场分布在增益介质中，且仍能保持较低的传输损耗，因而有利于激光器实现低阈值工作。
[0013] 图1是纳米管表面等离子体激光器的结构示意图。区域1为金属基底层；区域2为介质缓冲层，其宽度为w2，高度为h2；区域3为增益介质纳米管，其宽度为w3，高度为h3；区域4为增益介质纳米管中心的填充区域，其宽度为w4，高度为h4；区域2、区域3和区域4的纵向(沿Z轴方向)长度为L；区域5为包层。
[0014] 图2是实例1所述纳米管表面等离子体激光器的横截面结构图。201为金属基底层，nm为其折射率；202为介质缓冲层，nb为其折射率，hb为其高度；203为矩形增益介质纳米管，nh为其折射率，wh为其宽度，hh为其高度；204为增益介质纳米管中心的矩形填充区域，nl为其折射率，wl为其宽度，hl为其高度；205为包层，nc为其折射率；202、203和204的纵向(沿Z轴方向)长度为L。
[0016] 图4是实例1所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性，其中，图4(a)-(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随宽度wl的变化曲线。
[0017] 图5是实例1所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随宽度wl的变化曲线。
[0018] 图6是实例2所述纳米管表面等离子体激光器的横截面结构图。601为金属基底层，nm为其折射率；602为介质缓冲层，nb为其折射率，hb为其高度；603为圆形增益介质纳米管，nh为其折射率，wh为其宽度，hh为其高度；604为增益介质纳米管中心的圆形填充区域，nl为其折射率，wl为其宽度，hl为其高度；605为包层，nc为其折射率；602、603和604的纵向(沿Z轴方向)长度为L。。
[0019] 图7是实例2所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时归一化电场强度沿X轴(图7(a))和Y轴方向的分布曲线(图7(b))。
[0020] 图8是实例2所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性，其中，图4(a)-(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随宽度wl的变化曲线。
[0021] 图9是实例2所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随宽度wl的变化曲线。
具体实施方式
[0023] 有效折射率虚部表征模式的有效传输损耗，模场限制因子表征增益介质纳米线的场强限制能力，在此定义为增益介质中所含电场能量占波导总电场能量的比例。
[0024] 有效模场面积的计算表达式如下：
[0025] Aeff＝(∫∫|E(x，y)|2dxdy)2/∫∫|E(x，y)|4dxdy (1)[0026] 其中，Aeff为有效模场面积，E(x，y)为表面等离子体波的电场。归一化有效模场面积为(1)式计算得到的有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。衍射极限小孔的面积定义如下：
[0027] A0＝λ2/4 (2)
[0028] 其中，A0为衍射极限小孔面积，λ为激光器输出光的波长。因此，归一化有效模场面积A为：
[0029] A＝Aeff/A0 (3)
[0030] 归一化有效模场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] 激光器的增益阈值的计算式如下：
[0032] gth＝(k0αeff+ln(1/R)/L)/Γ·(neff/nwire) (4)
[0033] 其中k0表示光在真空中的波数，且k0＝2π/λ，λ为激光器输出光的波长；αeff为模式的有效折射率虚部，R为端面反射率，L为增益介质纳米线的纵向长度，Γ为限制因子，neff为模式的有效折射率实部，nwire为增益介质纳米线的折射率。
[0034] 端面反射率R的表达式如下：
[0035] R＝(neff-1)/(neff+1) (5)
[0036] 实例1：矩形增益介质纳米管
[0037] 图2是实例1所述纳米管表面等离子体激光器的横截面结构图。201为金属基底层，nm为其折射率；202为介质缓冲层，nb为其折射率，hb为其高度；203为矩形增益介质纳米管，nh为其折射率，wh为其宽度，hh为其高度；204为增益介质纳米管中心的矩形填充区域，nl为其折射率，wl为其宽度，hl为其高度；205为包层，nc为其折射率；202、203和204的纵向(沿Z轴方向)长度为L。。
[0038] 在本实例中，激光器输出光的波长为490nm，201的材料为金，在490nm波长处的折射率实部为-9.2，虚部为0.3；202的材料为氟化镁，其折射率实部为1.4；203的材料均为硫化镉，折射率实部为2.4；204和205的材料均为空气，其折射率实部为1。
[0039] 在本实例中，202的高度hb＝5nm，203的宽度wh＝100nm，高度hh＝100nm；204的宽度wl的取值范围为10-90nm(相应地，高度hl的取值范围也为10-90nm，以保持204的形状为正方形)；202、203以及204的纵向长度L＝30μm。
[0040] 使用全矢量有限元方法对本实施例中上述纳米管表面等离子体激光器结构进行仿真，计算得到490nm波长处表面等离子激元模式的模式特性及增益阈值。
[0041] 图3是实例1所述纳米管表面等离子体激光器(wl＝hl＝50nm)对应输出光波长为490nm时归一化电场强度沿X轴(图3(a))和Y轴方向的分布曲线(图3(b))。由场强分布图可知，在低折射率的介质缓冲层区域都有明显的场增强效应。
[0042] 图4是实例1所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性，其中，图4(a)-(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随宽度wl的变化曲线。由图可知，随着宽度wl的增加，模式的有效折射率、有效传输损耗以及限制因子均呈单调下降趋势，表明纳米管中心空气孔区域的变大将导致损耗的降低，同时增益介质区域的限制能力也逐渐下降，而模式的有效模场面积则随宽度wl的增加不断增大，当宽度wl小于80nm时，该结构能实现对光场的深亚波长约束。
[0043] 图5是实例1所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随宽度wl的变化曲线。由图可知，该阈值随宽度wl的增加先减小后增大，最小阈值发生在wl＝80nm附近。因此，要实现激光器在低阈值条件下工作，需要选择合适的空气孔尺寸。当泵浦条件达到增益介质纳米线的增益阈值时，激光便可产生，从而实现深亚波长的表面等离子体激光器。
[0044] 实例2：圆形增益介质纳米管
[0045] 图6是实例2所述纳米管表面等离子体激光器的横截面结构图。601为金属基底层，nm为其折射率；602为介质缓冲层，nb为其折射率，hb为其高度；603为圆形增益介质纳米管，nh为其折射率，wh为其宽度，hh为其高度；604为增益介质纳米管中心的圆形填充区域，nl为其折射率，wl为其宽度，hl为其高度；605为包层，nc为其折射率；602、603和604的纵向(沿Z轴方向)长度为L。
[0046] 在本实例中，激光器输出光的波长为490nm，601的材料为金，在490nm波长处的折射率实部为-9.2，虚部为0.3；602的材料为氟化镁，其折射率实部为1.4；603的材料均为硫化镉，折射率实部为2.4；604和605的材料均为空气，其折射率实部为1。
[0047] 在本实例中，602的高度hb＝5nm，603的最大宽度wh＝100nm，最大高度hh＝100nm；604的宽度wl的取值范围为10-90nm(相应地，高度hl的取值范围也为10-90nm，以保持604的形状为圆形)；602、603以及604的纵向长度L＝30μm。
[0048] 使用全矢量有限元方法对本实施例中上述纳米管表面等离子体激光器结构进行仿真，计算得到490nm波长处表面等离子激元模式的模式特性及增益阈值。
[0049] 图7是实例2所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时归一化电场强度沿X轴(图7(a))和Y轴方向的分布曲线(图7(b))。由场强分布图可见，低折射率的介质缓冲层区域都有比较明显的场增强效应。
[0050] 图8是实例2所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时的模式特性，其中，图8(a)-(d)分别是有效折射率、有效传输损耗、归一化有效模场面积以及限制因子随宽度wl的变化曲线。由图可知，与实例1所述矩形增益介质纳米管类似，随着宽度wl的增加，模式的有效折射率、有效传输损耗以及限制因子均呈单调下降趋势，表明纳米管中心空气孔区域的变大将导致损耗的降低，同时增益介质区域的限制能力也逐渐下降，而模式的有效模场面积则随宽度wl的增加不断增大，当宽度wl小于80nm时，该结构能实现对光场的深亚波长约束。
[0051] 图9是实例2所述纳米管表面等离子体激光器对应输出光波长为490nm时增益阈值随宽度wl的变化曲线。由图可知，该阈值随宽度wl的增加先减小后增大，最小阈值发生在wl＝70nm附近。因此，要实现激光器在低阈值条件下工作，需要选择合适的空气孔尺寸。当泵浦条件达到增益介质纳米线的增益阈值时，激光便可产生，从而实现深亚波长的表面等离子体激光器。
[0052] 实例1和实例2的仿真结果表明，本发明所涉及的波导结构中的增益介质纳米管区域的截面形状可以采用矩形、圆形及其相近形状来实现。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种双频带表面等离子体谐振腔 | 2020-05-11 | 430 |
| 一种表面等离子体慢光波导 | 2020-05-12 | 289 |
| 一种颗粒物料表面等离子体处理装置 | 2020-05-12 | 296 |
| 一种鞋材表面等离子体放电处理设备 | 2020-05-12 | 133 |
| 磁表面等离子体波导太赫兹隔离器 | 2020-05-12 | 133 |
| 制作表面等离子体微纳结构的方法 | 2020-05-13 | 366 |
| 表面等离子体共振光谱传感器 | 2020-05-13 | 367 |
| 钽喷丝头表面等离子体强化技术 | 2020-05-13 | 990 |
| 表面等离子体共振传感器用芯片和表面等离子体共振传感器 | 2020-05-11 | 268 |
| 一种磁光表面等离子体共振传感器 | 2020-05-14 | 179 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈