多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器制造技术

本发明专利技术公开了多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器,该激光器由表面等离激元纳米钉谐振腔(1)、间隔层(2)、增益介质(3)、二维材料层(4)四部分构成；其中表面等离激元纳米钉谐振腔(1)由金属纳米棒(11)与其上生长的一个或多个纳米片(12)构成，表面等离激元纳米钉谐振腔(1)与增益介质(3)之间是由间隔层(2)隔离开来，在该表面等离激元纳米脉冲激光器的表面覆盖有二维材料层(4)；正负电极(5)位于该表面等离激元纳米脉冲激光器的两端，通过在纳米钉谐振腔的表面引入一层具有可饱和吸收特性的二维材料，可实现表面等离激元红外纳米脉冲激光器的锁模和对Q的调控，将纳米激光器的激光脉冲时间提升到飞秒‑阿秒量级。

Surface plasmon infrared nanoscale laser with multiple resonance competition mechanism

The invention discloses a surface plasmon infrared nanoscale pulsed laser with a multi resonance competition mechanism, which consists of a surface plasmon nanoscale resonator (1), a spacer layer (2), a gain medium (3), and a two-dimensional material layer (4), in which a surface plasmon nanorod resonator (1) is grown by a metal nanorod (11). One or more nanoscale films (12) are composed of a surface plasmon nanoscale resonator (1) and a gain medium (3) separated by an interlayer (2), and a two-dimensional material layer (4) is covered on the surface of the surface plasmon nanoscale laser, and the positive and negative electrode (5) is located at both ends of the surface plasmon nanoscale laser. A two-dimension material with saturable absorption characteristics is introduced on the surface of nanoscale nailing resonator, which can realize the mode lock of the surface plasmon infrared laser nanoscale laser and control the Q. The laser pulse time of the nanosecond laser can be raised to the femtosecond altitude.

【技术实现步骤摘要】
多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器
本专利技术涉及纳米光电器件及纳米激光器领域，特别涉及基于多谐振竞争机制的可调谐表面等离激元红外纳米脉冲激光器。
技术介绍
近年来，由纳米结构谐振腔构成的超小尺寸纳米激光器件在纳米成像、生物医疗、信息存储、纳米机器人等领域具有重要的应用前景。而传统的光学激光器受到衍射极限限制，具有尺寸大、阈值高、制备工艺复杂等缺点。在一些特殊的应用场合，需要把激光器件的尺寸做到纳米尺度，比如在血液检测、芯片上光互连上的应用就直接要求激光器的特征尺度接近电子器件，并且其功耗要小于成熟的电互联，应约在10飞焦每比特量级。因此，可突破衍射极限的表面等离激元激光器，它与传统的光学激光器不同，其通过放大金属中自由电子振荡形成的表面等离激元，而非光子，从而可实现深亚波长10纳米量级特征尺度的光场限制。但是，金属材料的损耗较高，在基于其构成的表面等离激元纳米激光器件中，器件获得的Q值较低，阈值较高，纳米激光器的性能较差。而且对于一般的金属纳米谐振腔结构构成的纳米激光器，其激光发射的脉冲和Q值等性能是不可调谐的，激光发射波长的调控范围也很有限，且没有定向性。因此，低阈值、可调谐、超小尺寸的纳米激光器件具有迫切需求。本专利提出多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器，其表面等离激元纳米钉谐振腔具有多谐振机制竞争效应，在纳米钉谐振腔中增加纳米棒的长径比可使其共振峰发生大范围的红移，共振峰能够从可见光波段甚至红移至红外区域，通过改变纳米钉谐振腔中纳米片的尺寸、数量、位置及方向等参数来调控其表面等离激元共振峰的位置，使之与纳米棒的共振峰相匹配进而形成多谐振竞争模式，从而在特定波长形成具有超高Q值的共振峰，可降低纳米脉冲激光器的阈值。当增益介质的发射波长与纳米钉谐振腔的共振峰一致时，将获得能量最强的激光。通过选择发射波长与谐振峰相匹配的增益介质，便可实现宽波段发射的纳米激光器，尤其是在红外波段。更为重要的是本专利所提出的表面等离激元纳米激光器中引入了具有可饱和吸收特性二维材料，利用二维材料固有的可饱和吸收特性，当入射光较弱时，将被二维材料层完全吸收，导致纳米钉谐振腔损耗增大，激光器处于低Q状态；当入射光因反转粒子数的增大而变的足够强时，二维材料层对入射光几乎是透明的，纳米钉谐振腔的损耗急剧减小，纳米激光器处于高Q值状态，存储的能量在极短的时间内释放，从而输出高能量的调Q脉冲激光。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是为了克服已有表面等离激元纳米激光器的阈值高、脉冲和Q值不可调谐、激光发射波长的调控范围窄，提出了基于多谐振竞争机制的可调谐表面等离激元红外纳米激光器，该纳米激光器可实现阈值低和纳米激光器的发射波长可从可见-红外波段进行调谐。可饱和吸收特性，当入射光较弱时，将被二维材料层完全吸收，导致纳米钉谐振腔损耗增大，激光器处于低Q状态；当入射光因反转粒子数的增大而变的足够强时，二维材料层对入射光几乎是透明的，纳米钉谐振腔的损耗急剧减小，纳米激光器处于高Q值状态，存储的能量在极短的时间内释放，从而输出高能量的调Q脉冲激光，在纳米成像、生物医疗、信息存储、纳米机器人等领域具有重要的应用前景。技术方案：本专利技术的一种多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器由具有多谐振机制竞争效应的表面等离激元纳米钉谐振腔、间隔层、增益介质、二维材料层四部分构成；其中表面等离激元纳米钉谐振腔由金属纳米棒与其上生长的一个或多个纳米片构成，表面等离激元纳米钉谐振腔与增益介质之间是由间隔层隔离开来，在该表面等离激元纳米脉冲激光器的表面覆盖有二维材料层；正负电极位于该表面等离激元纳米脉冲激光器的两端。其中：所述表面等离激元纳米钉谐振腔由金属纳米棒与其上生长的一个或多个纳米片结构构成；其中，金属纳米棒和纳米片的材料都为具有表面等离激元特性的金属材料，金属纳米棒的长度在20纳米至30微米之间，直径在10纳米至200纳米之间；具有表面等离激元共振效应的纳米片结构为一种或多种各向异性形貌的纳米颗粒。所述具有表面等离激元特性的金属材料为：金、银、铜或铝；金属纳米棒与纳米片的材料相同或不同。所述各向异性形貌的纳米颗粒的形状为三角片、四面体、六角片或十面体。所述增益介质为具有增益放大特性的介质材料。所述具有增益放大特性的介质材料为量子点、有机染料、稀土发光材料。所述间隔层为氧化物或氟化物无机材料。所述氧化物或氟化物无机材料为SiO2、Al2O3或MgF。所述二维材料层为具有可饱和吸收特性的二维材料。所述电极材料为Pd或Ti。该表面等离激元纳米钉谐振腔结构可通过化学法合成，也可利用top-down工艺等多种手段实现。在所述的纳米脉冲激光器工作状时，入射光垂直照射到纳米钉谐振腔上，在纳米钉谐振腔的表面通过放大金属中自由电子振荡会形成表面等离激元，而表面等离激元经过纳米钉谐振腔表面增益介质的不断放大，最终将形成激光；在纳米钉谐振腔中增加纳米棒的长径比可使其共振峰发生大范围的红移，共振峰能够从可见光波段甚至红移至红外区域，通过改变纳米钉谐振腔中纳米片的尺寸、数量、位置及方向等参数来调控其表面等离激元共振峰的位置，使之与纳米棒的共振峰相匹配进而形成多谐振竞争模式，从而在特定波长形成具有超高Q值的共振峰，可降低纳米脉冲激光器的阈值。当增益介质的发射波长与纳米钉谐振腔的共振峰一致时，将获得能量最强的激光。通过选择发射波长与谐振峰相匹配的增益介质，便可实现宽波段发射的纳米激光器，尤其是在红外波段。实现主动调Q纳秒脉冲激光的方法：通过对电极上的外加电路施加周期性变化的电压，改变二维材料层的电子态密度。在施加外向电压时，二维材料层的电子态密度逐渐变大，当二维材料层内的电子态密度达到饱和时会瞬间释放，纳米钉谐振腔的Q值便迅速提高，从而瞬间输出激光脉冲，此时纳米钉谐振腔中的反转粒子数急剧下降，重复以上过程便形成一序列激光脉冲。实现被动调Q纳秒脉冲激光的方法：利用二维材料固有的可饱和吸收特性，当入射光较弱时，将被二维材料层完全吸收，导致纳米钉谐振腔损耗增大，激光器处于低Q状态；当入射光因反转粒子数的增大而变的足够强时，二维材料层对入射光几乎是透明的，纳米钉谐振腔的损耗急剧减小，纳米激光器处于高Q值状态，存储的能量在极短的时间内释放，从而输出高能量的调Q脉冲激光。实现锁模超快飞秒-阿秒脉冲激光的方法：当激光脉冲通过二维材料层时，脉冲边缘部分的损耗大于中央部分，结果使得激光脉冲在通过二维材料层的过程中被窄化，实现自启动且重复频率较稳定的锁模脉冲，基于这种方法可获得激光脉冲的宽度为飞秒-阿秒量级。有益效果：本专利技术与现有的技术相比具有以下的优点：1.本专利技术所述的多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器解决了以往报道的纳米激光器阈值低的问题。表面等离激元纳米激光器中的纳米钉谐振腔由金属纳米棒与其上生长的纳米片构成，纳米棒和入射光相互作用形成表面等离激元共振并在纳米棒的两端反射，形成F-P谐振腔模式；纳米片将激励起LSPR。而纳米钉的谐振光谱同时具有LSPR谐振特性和F-P腔谐振特性。因此，多谐振竞争机制的共振增强效应使得由纳米钉构成的谐振腔具有更高的Q值，当处于最佳谐振状态时，辐射能量密度比相同尺寸的单一纳米棒和单一纳米片结构高3到4个数量级。相比于传统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器，其特征在于：该表面等离激元纳米脉冲激光器由具有多谐振机制竞争效应的表面等离激元纳米钉谐振腔(1)、间隔层(2)、增益介质(3)、二维材料层(4)四部分构成；其中表面等离激元纳米钉谐振腔(1)由金属纳米棒(11)与其上生长的一个或多个纳米片(12)构成，表面等离激元纳米钉谐振腔(1)与增益介质(3)之间是由间隔层(2)隔离开来，在该表面等离激元纳米脉冲激光器的表面覆盖有二维材料层(4)；正负电极(5)位于该表面等离激元纳米脉冲激光器的两端。

【技术特征摘要】
1.一种多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器，其特征在于：该表面等离激元纳米脉冲激光器由具有多谐振机制竞争效应的表面等离激元纳米钉谐振腔(1)、间隔层(2)、增益介质(3)、二维材料层(4)四部分构成；其中表面等离激元纳米钉谐振腔(1)由金属纳米棒(11)与其上生长的一个或多个纳米片(12)构成，表面等离激元纳米钉谐振腔(1)与增益介质(3)之间是由间隔层(2)隔离开来，在该表面等离激元纳米脉冲激光器的表面覆盖有二维材料层(4)；正负电极(5)位于该表面等离激元纳米脉冲激光器的两端。2.如权利要求1所述的多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器，其特征在于：所述表面等离激元纳米钉谐振腔(1)由金属纳米棒与其上生长的一个或多个纳米片结构构成；其中，金属纳米棒和纳米片的材料都为具有表面等离激元特性的金属材料，金属纳米棒的长度在20纳米至30微米之间，直径在10纳米至200纳米之间；具有表面等离激元共振效应的纳米片结构为一种或多种各向异性形貌的纳米颗粒。3.如权利要求2所述的多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器，其特征在于：所述具有表面等离激元特性的金属材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，单锋，张晓阳，庞小一，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32