基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于金属尖端‑空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，包括绝缘层以及通过绝缘层相连的增益介质腔体、空气间隙层和金属尖端层，其中：空气间隙层为绝缘层的一道空气槽，设置在绝缘层上边沿的中间位置；增益介质腔体设置在空气间隙层的上方，增益介质腔体的横截面与空气间隙层的横截面通过两个交点相连；金属尖端层设置在空气间隙层的下方，且金属尖端层被绝缘层包裹，金属尖端层横截面的一个尖端与空气间隙层的横截面相交于一点。本发明专利技术的能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，能合理平衡能量损耗与局域模限制，方便制造，尺寸更小，阈值更小，综合性能更优。

The metal tip air groove surface plasmon nanolaser based on

The invention discloses a metal tip air groove surface plasmon nanolaser based on, including an insulation layer and connected through an insulating layer of the gain medium cavity, the air gap layer and the tip of the metal layer, including: the air gap layer is an insulating layer of an air groove is arranged on the insulating layer on the edge of the middle position; gain medium cavity is arranged on the upper part of the air gap layer, cross section gain medium cavity and the air gap layer are connected through two points; the metal tip layer is arranged under the air gap layer, and the metal tip layer is an insulating layer package, cross section of the metal tip layer cross section of a tip and the air gap layer intersect at one point. The invention has the advantages of low energy consumption, low cost, low energy consumption, low cost, small size, low threshold and better comprehensive performance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及激光
，尤其涉及一种基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器。
技术介绍
近年来，随着纳米技术的发展，器件微型化逐渐成为趋势。人们对纳米世界的深入探索，需要超小、超快的激光器将光的能量集中到亚波长尺寸区域。一般情况下,光作用的结构尺寸大于光波波长时,将产生零级透射衍射波和反射衍射波以及高阶透射和反射衍射波，这就使得光束无法实现亚波长化；而具有体积小、重量轻、容易复制等许多优点的亚波长器件(器件尺寸小于波长)仅有零级的反射衍射波和透射衍射波产生，从而使得采用亚波长衍射光学元件的普通激光器可以实现光束的亚波长化。但是，该器件会使得激光器的损耗有所增大。相对而言，基于表面等离子体激元(Surface Plasmons，SPs)的纳米激光器用表面等离子体激元替代了受激辐射的光子，虽然工艺较为复杂，但突破了传统光学中衍射极限的瓶颈，实现了激光器的亚波长化，具有较低的损耗和阈值。目前，表面等离子体因其诸多优点而受到广泛的关注，并且被应用于众多方面，这将促进了激光器微型化的发展。目前主要的纳米激光器有纳米粒子表面等离子体激光器、纳米线表面等离子体激光器、圆柱形金属纳腔面发射纳米激光器、金属介质金属结构纳米激光器等,不同类型的激光器的属性不同，适当的选择结构才能在满足要求的情况下获得性能最佳的纳米激光器。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于针对现有技术中能量损耗较大，在室温下实现困难，光场的分布不集中，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的缺陷，提供一种能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，综合性能更优的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利技术提供一种基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，包括绝缘层以及通过绝缘层相连的增益介质腔体、空气间隙层和金属尖端层，其中：空气间隙层为绝缘层的一道空气槽，设置在绝缘层上边沿的中间位置；增益介质腔体设置在空气间隙层的上方，增益介质腔体的横截面与空气间隙层的横截面通过两个交点相连；金属尖端层设置在空气间隙层的下方，且金属尖端层被绝缘层包裹，金属尖端层横截面的一个尖端与空气间隙层的横截面相交于一点。进一步地，本专利技术的增益介质腔体为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构，增益介质腔体的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。进一步地，本专利技术的增益介质腔体的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。进一步地，本专利技术的空气间隙层的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。进一步地，本专利技术的金属尖端层的横截面形状为正方形、三角形、六边形、五边形梯形中任意一种。进一步地，本专利技术的金属尖端层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。进一步地，本专利技术的增益介质腔体和金属尖端层表面的等离子激元之间能够发生耦合，在绝缘介层中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。进一步地，本专利技术的金属尖端层的金属尖角的角度为55至75度。进一步地，本专利技术的空气间隙层的宽度为10至20纳米。进一步地，本专利技术的空气间隙层的宽度小于增益介质腔体半径的二分之一，金属尖端顶角距其底边的位置大于增益介质腔体的半径，且不大于增益介质腔体直径的2倍。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，通过在绝缘层与增益介质腔体中间添加空气间隙层，使得能量更好的耦合，从而实现了能量损耗的降低，金属尖端层与空气间隙层相交部分采用一个尖角，使得能量更加集中，实现了光场的高局域性，整个结构通过绝缘层连接起来，使得整体结构的阈值降低，能够在室温下正常工作；有效的解决了现有技术中的纳米激光器能量损耗大，在室温下实现困难，光场的分布不集中，导致纳米激光器的阈值较大，综合性能较差的技术问题，实现了能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，综合性能更优的技术效果。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的立体结构示图；图2是本专利技术实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的平面示图；图3是本专利技术实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的损耗随空气间隙层的边长l以及金属尖端的角度θ的变化情况；图4是本专利技术实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的归一化模式面积随空气间隙层的边长l以及金属尖端的角度θ的变化情况；图5是本专利技术实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器的阈值随空气间隙层的边长l以及金属尖端的角度θ的变化情况；图中，1-增益介质腔体，2-空气间隙层，3-绝缘层，4-金属尖端层。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1所示，本专利技术实施例的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，包括绝缘层3以及通过绝缘层3相连的增益介质腔体1、空气间隙层2和金属尖端层4，其中：空气间隙层2为绝缘层3的一道空气槽，设置在绝缘层3上边沿的中间位置；增益介质腔体1设置在空气间隙层2的上方，增益介质腔体1的横截面与空气间隙层2的横截面通过两个交点相连；金属尖端层4设置在空气间隙层2的下方，且金属尖端层4被绝缘层3包裹，金属尖端层4横截面的一个尖端与空气间隙层2的横截面相交于一点。增益介质腔体1为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构，增益介质腔体1的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。增益介质腔体1的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。空气间隙层2的横截面形状为正方形、三角形、圆形、六边形、五边形、椭圆、梯形中任意一种。金属尖端层4的横截面形状为正方形、三角形、六边形、五边形梯形中任意一种。金属尖端层材料为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中任意一种或几种的合金。增益介质腔体1和金属尖端层4表面的等离子激元之间能够发生耦合，在绝缘介层3中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场。如图2所示，在本专利技术的另一个具体实施例中，该激光器包括：增益介质腔体1、空气间隙层2、绝缘层3、金属尖端层4；空气间隙层2位于绝缘层3中间部分，增益介质腔体1位于空气间隙层2上方，边缘与空气间隙层2的两角相接，金属尖端层4位于空气间隙层2的下方，绝缘层3则将增益介质腔体1、空气间隙层2、金属尖端层4连接起来。其中，金属尖端层4的表面等离子激元和增益介质腔体1在空气间隙层2中形成亚波长限制的等离子激元杂化振荡光场，绝缘层3能够有效减少等离子激元振荡中的金属热损失。金属尖端层4和增益介质腔体1振荡模的耦合能够将光局域到空气间隙层中。增益介质腔体1的截面形状为正方形、三角形、五边形、六边形、圆形、椭圆形、梯形中任意一种。作为一种优选的实施例，增益介质腔体1为圆柱形，半径为60纳米。增益介质腔体1的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。增益介质腔体3为通过元素掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于金属尖端‑空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，包括绝缘层(3)以及通过绝缘层(3)相连的增益介质腔体(1)、空气间隙层(2)和金属尖端层(4)，其中：空气间隙层(2)为绝缘层(3)的一道空气槽，设置在绝缘层(3)上边沿的中间位置；增益介质腔体(1)设置在空气间隙层(2)的上方，增益介质腔体(1)的横截面与空气间隙层(2)的横截面通过两个交点相连；金属尖端层(4)设置在空气间隙层(2)的下方，且金属尖端层(4)被绝缘层(3)包裹，金属尖端层(4)横截面的一个尖端与空气间隙层(2)的横截面相交于一点。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，包括绝缘层(3)以及通过绝缘层(3)相连的增益介质腔体(1)、空气间隙层(2)和金属尖端层(4)，其中：空气间隙层(2)为绝缘层(3)的一道空气槽，设置在绝缘层(3)上边沿的中间位置；增益介质腔体(1)设置在空气间隙层(2)的上方，增益介质腔体(1)的横截面与空气间隙层(2)的横截面通过两个交点相连；金属尖端层(4)设置在空气间隙层(2)的下方，且金属尖端层(4)被绝缘层(3)包裹，金属尖端层(4)横截面的一个尖端与空气间隙层(2)的横截面相交于一点。2.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，增益介质腔体(1)为通过元素掺杂形成的量子阱结构或超晶格结构，增益介质腔体(1)的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、氧化锌中的任意一种。3.根据权利要求1所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，增益介质腔体(1)的横截面形状为正方形、三角形、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所述的基于金属尖端-空气槽的表面等离子体激元的纳米激光器，其特征在于，空气间隙层(2)的横截面形状为正方形、三角形、圆形...

【专利技术属性】
技术研发人员：李芳，魏来，周剑心，
申请(专利权)人：武汉工程大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42