一种等离子体激光器制造技术

本申请公开了一种等离子体激光器，包括金属层和形成在金属层之上的增益介质层，所述增益介质层平行于金属层的横截面为环形，所述增益介质层最靠近金属层的横截面落在所述金属层所覆盖的范围之内。本申请的等离子体激光器由于具有环形的增益介质层，光场在该环形结构中谐振，使得光场有较强的束缚能力。光场在增益介质层和金属层之间形成的环形区域的表面循环传播，减小了纳米激光器的尺寸，同时由于环形结构极易发生耦合作用，有利于集成光学系统的小型化。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及微纳光电子器件/激光领域，具体涉及一种等离子体激光器。
技术介绍
纳米光子学和光电子学在近年得到了迅速发展。由于纳米结构的器件具有优良的光学和电学特性，其已被广泛应用于各类光学和光电器件，覆盖范围从波导到激光辐射等。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。目前，很多研究人员将表面等离子体概念应用到激光领域，并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。图1为现有技术中基于表面等离子体效应的纳米激光器，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问题。该激光器包括硫化镉101，氟化镁层102，银薄膜103。在银薄膜上沉积厚度为5nm的氟化镁102作为低折射率介质层，在其上制作直径约lOOnm，长度为Γ2微米的硫化镉元件，对其照射激发光，硫化镉101受激光泵浦而发光，银膜103与硫化镉101纳米线之间产生表面等离子体，从而将硫化镉101发出的光限制在5nm厚的氟化镁层102内。这种光所形成的光场在硫化镉101纳米线的两个端面来回反射，形成激光振荡输出。上述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。然而，上述表面等离子激光器基于的一种是直线纳米线结构，长度为广2微米，体积较大，如果运用在集成光学系统中，不利于器件的小型化；同时，上述结构中的激光器靠纳米线两端面反射产生激光，大部分能量从端面出射了，留在激光器中的能量很少，不利于得到大功率的激光器件。
技术实现思路
本申请所要解决的技术问题是，提出一种纳米尺寸的更小，品质因数更高的等离子体激光器。本申请的一种等离子体激光器包括金属层和形成在金属层之上的增益介质层，其特征在于，所述增益介质层平行于金属层的横截面为环形，所述增益介质层最靠近金属层的横截面落在所述金属层所覆盖的范围之内。所述等离子体激光器还包括形成于金属层与增益介质层之间且覆盖在金属层表面的低折射率介质层。所述低折射率介质层的折射率小于增益介质的折射率。所述增益介质层的环壁在垂直于金属层方向上的竖直截面为圆形、椭圆形、正方形、长方形、三角形、六角形和梯形中的任意一种。 所述增益介质层平行于金属层的横截面的形状为圆形环、椭圆形环、六角形环、正方形环、矩形环、梯形环和三角形环中的任意一种。所述增益介质层的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、锑化镓、硒化镉和硫化锌中的任意一种。所述金属层的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍和铬中的任意一种，或是上述不同金属构成的复合材料。本申请的等离子体激光器由于具有环形的增益介质层，在增益介质层和金属层之间形成的表面等离子区域为环形结构，光场在该环形结构中谐振，环形的谐振腔使得光场有较强的束缚能力，光场在增益介质层和金属层之间形成的环形区域的表面循环传播，减小了纳米激光器的尺寸，同时由于环形结构极易发生耦合作用，有利于集成光学系统的小型化。附图说明图1为现有技术中的一种等离子体激光器的结构图；图2为本申请实施例1提供的一种等离子体激光器的结构图；图3为图2中一种等离子体激光器的剖面图；图4为本申请实施例1的等离子体激光器对应输出波长为490nm时归一化电场强度沿X轴(a)和Y (b)轴方向的分布曲线；图5为本申请实施例1的等离子体激光器输出波长λ和品质因子Q随环形纳米结构的半径R的变化而变化 的关系图；图6是本申请实施例1的等离子体激光器的谐振波长分布图；图7为本申请实施例2提供的一种等离子体激光器的结构图。具体实施例方式激光器是一种光的受激发射器。在正常情况下，粒子大部分处于基态，只有少数粒子处于激发态。光子打到增益介质上，由于增益介质已经受能量泵浦存在粒子束反转，使受激发的粒子向基态跃迁，同时发射出大量的光子，这种受激跃迁过程所发射出来的光子的特征(频率、行进方向、位相和偏振)与入射光子完全相同，从而实现了雪崩式的光放大作用。在激光器的谐振腔中，受激发射的过程以一定的方式持续下去，形成了激光。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，可以将横向光波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。本申请正是利用表面等离子的原理专利技术了一种等离子激光器。在可见光波段，金、银等贵金属的介电常数的实部为负值，通过求解电磁场的麦克斯韦方程组可知，电磁场被限制贵金属表面，并且区域小于波长尺寸，所以称之为亚波长尺寸限制。通过对金属表面纳米结构的调制，使得增益介质发出的光能够激发出金属表面自由电子的等离子体震荡，光限制在金属表面的低折射率介质中，并且在环形谐振腔中传播。在低折射率介质中，光场具有极小的模式体积，在极小的区域内，光场和光子的相互作用能大大减小光子寿命，加快受激发光子的跃迁，从而又加强了激光的强度，通过这样的正反馈效应能够得到较强的激光。同时，本结构采用的是环形结构的谐振腔，它和其他波导器件之间具有易耦合的特点，这样产生的光信号极易耦合出来，并输出激光，在有限的体积内获得较大的增益。激光器的品质因子Q(Quality Factor)是表征表面等离子体纳米激光器的重要指标，Q值的大小表征了激光器限制能量的能力和损耗的能力，Q值越大表示激光器的性能越好。Q值计算公式如下Q=f/Af (I)其中f为谐振频率，Δ f为谐振频率的半波宽度。对于环形谐振腔必须满足相位匹配条件2 31 Rneff=m λ (2)其中neff环形谐振腔的有效折射率#为环形纳米结构的半径;m为谐振级数，取正整数；λ为激光器输出光的波长。随环形纳米结构的半径R的变化，激光器的输出光的波长λ也会随着发生变化。光谱中两个相邻的谐振峰之间的波长差称为FSR，一个FSR对应的谐振级数相差1，当某一波长为λ的信号在半径为R的微环中谐振时，必须满足微环谐振方程(2)，此时R保持定值，Am=-1, Δ Am=FSR,将FSR写成与折射率波长相关的方程为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种等离子体激光器,包括金属层和形成在金属层之上的增益介质层，其特征在于，所述增益介质层平行于金属层的横截面为环形，所述增益介质层最靠近金属层的横截面落在所述金属层所覆盖的范围之内。

【技术特征摘要】
1.一种等离子体激光器，包括金属层和形成在金属层之上的增益介质层，其特征在于，所述增益介质层平行于金属层的横截面为环形，所述增益介质层最靠近金属层的横截面落在所述金属层所覆盖的范围之内。2.如权利要求1所述的等离子体激光器，其特征在于，还包括形成于金属层与增益介质层之间且覆盖在金属层表面的低折射率介质层。3.如权利要求2所述的等离子体激光器，其特征在于，所述低折射率介质层的折射率小于增益介质的折射率。4.如权利要求1所述的等离子体激光器，其特征在于，所述增益介质层的环壁在垂直于金属层方向上的竖直截面为圆形、椭...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭东，张昭宇，郭思尧，苏光耀，肖登，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：