專利名稱：一種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納結(jié)構(gòu)研究及等離子體光電子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一類雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器。
背景技術(shù)：
激光科學(xué)領(lǐng)域中，人們已經(jīng)成功的設(shè)計制造出日益大功率、更快速、更小型化的單色相干性好的光源，例如最近研究報到出基于光子晶體、納米線等微納結(jié)構(gòu)的可接近衍射極限尺度的各類激光器件。但是該類激光器在光學(xué)模式體積以及器件物理尺寸方面都存在明顯的局限性，其尺度都遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)內(nèi)光場的半波長度。因此設(shè)計制造可產(chǎn)生激光現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)高度集成化的克服光學(xué)衍射極限尺度的納米量級的光源和激光器仍然是一項(xiàng)基本而關(guān)鍵性的挑戰(zhàn)。 目前為止研究人員發(fā)現(xiàn)，解決這項(xiàng)問題的一個有效方法是引入金屬以產(chǎn)生表面等離子體模式，有如文獻(xiàn) I :“S.A. Maier et al, NATURE MATERIALS, 2003 (2) :229_232” 報道的表面等離子體模式可以將光場緊密的局限在遠(yuǎn)低于其衍射極限的尺度范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件的小型化和高度集成化。同時也產(chǎn)生金屬帶來的光學(xué)波段個的歐姆熱阻損耗問題，對基于表面等離子體模式的納米尺度的激光器件實(shí)現(xiàn)帶來阻礙，研究人員往往通過引入高增益性的介質(zhì)材料來補(bǔ)償該類損耗，改良激光器件性能。其中基于耦合等離子體模式的納米線等離子體波導(dǎo)可以在一定程度上克服金屬引入的歐姆熱阻損耗同時保持光學(xué)模式遠(yuǎn)低于衍射極限的極小尺度。有如文獻(xiàn)2:“R. F. Oulton，V. J. Sorger，D. A. Pile，X. Zhang et al, NATURE PHOTONICS, 2008 (2)495-500”報道的用于亞波長尺度光學(xué)限制與傳輸?shù)鸟詈系入x子體波導(dǎo)，等離子體波導(dǎo)由介質(zhì)材料納米線與金屬層間加入納米尺度的介質(zhì)層分隔形成。該類波導(dǎo)同時實(shí)現(xiàn)低損耗以及深亞波長的光傳輸?；诘入x子體模式以及FP腔振蕩反饋機(jī)制的激光器，有如文獻(xiàn)3 :“R. F. Oulton,V. J. Sorger, R. M. Ma, X，Zhang et al, NATURE, 2009 (461) :629_632” 報道了深亞波長尺度的等離子體激光器，等離子體激光器由半導(dǎo)體材料納米線與金屬層間加入納米尺度的介質(zhì)層分隔形成，該類激光器實(shí)現(xiàn)激光器光學(xué)模式克服衍射極限尺度，實(shí)現(xiàn)器件尺度的小型化。

發(fā)明內(nèi)容
(一 )要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種雙維上度克服衍射極限的等離子體激光器，該等離子體激光器是在雙維尺度低于激射波長衍射極限的介質(zhì)材料上生長金屬層以實(shí)現(xiàn)等離子體模式振蕩，并在另一維度上引入FP腔振蕩反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)與模式的激射。( 二 )技術(shù)方案為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，包括一介質(zhì)材料長條；以及一覆蓋于該介質(zhì)材料長條上的金屬層；該等離子體激光器是通過在雙維尺度低于激射波長衍射極限的介質(zhì)材料上生長金屬層以實(shí)現(xiàn)等離子體模式振蕩，并在另一維度上引入FP腔振蕩反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)與模式的激射。上述方案中，所述介質(zhì)材料長條在未被金屬層覆蓋的端面，其兩個維度上尺寸為幾百個納米，用于克服激射波長衍射極限。上述方案中，所述介質(zhì)材料長條在覆蓋 有金屬層的端面，其兩個維度上尺寸為幾個微米。上述方案中，所述介質(zhì)材料長條采用的材料是增益介質(zhì)材料，該增益介質(zhì)材料至少為砷化鎵或磷化銦。上述方案中，所述金屬層的厚度是幾百個納米。上述方案中，所述金屬層覆蓋于所述介質(zhì)材料長條的上表面、左側(cè)面和右側(cè)面，共
二面O上述方案中，所述金屬層采用的材料是金屬材料，該金屬材料是金、銀或銅。上述方案中，所述介質(zhì)材料長條的橫向截面形狀是圓形、橢圓形、正方形或矩形。上述方案中，所述等離子體激光器的FP反饋機(jī)制是由介質(zhì)材料長條未被金屬層覆蓋的兩端面提供，用于實(shí)現(xiàn)等離子體模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)。上述方案中，該等離子體激光器的工作波長位于可見光、紅外波段。(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I、本發(fā)明提供的這種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其基本思想是在端面雙維上克服衍射極限尺度的介質(zhì)材料長條上生長金屬層，引入等離子體光學(xué)模式的強(qiáng)烈局域化特性，使激光器在光學(xué)模式及其器件尺寸上同時克服光場衍射極限尺度，實(shí)現(xiàn)器件小型化和高度集成化，這種新型的等離子體激光器可以在介質(zhì)材料長條未被金屬層覆蓋的端面的兩個維度上同時實(shí)現(xiàn)深亞波長尺度，為超高度集成化的光電子器件制作提供可能性。2、本發(fā)明提供的這種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，介質(zhì)材料長條未被金屬層覆蓋的兩端面為這種激光器提供縱向的FP振蕩反饋機(jī)制，為激光器內(nèi)等離子體振蕩模式提供限制與反饋，能夠有效改善等離子體激光器的損耗狀況，改良器件性能。3、本發(fā)明提供的這種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，可通過調(diào)整介質(zhì)材料長條幾何參數(shù)、金屬層厚度參數(shù)等調(diào)整等離子體模式振蕩波長，可在可見光到紅外波段較大范圍內(nèi)滿足實(shí)際工程中激光器工作波長選擇的要求。4、本發(fā)明提供的這種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計與工藝制作可以靈活采用光學(xué)泵浦或者電學(xué)泵浦的注入方式。若采用電學(xué)方式，覆蓋在介質(zhì)材料長條上用于提供等離子體模式的金屬層可同時用作電注入激光器的電極。5、本發(fā)明提供的這種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，采用普遍的各類薄膜生長、外延生長、曝光、腐蝕等半導(dǎo)體加工工藝制作。


圖I為本發(fā)明提供的三維坐標(biāo)下，雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器結(jié)構(gòu)示意圖及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，xyz坐標(biāo)中心原點(diǎn)位介質(zhì)材料長條結(jié)構(gòu)幾何中心，其中a為介質(zhì)材料長條截面正方形邊長，b為介質(zhì)材料長條側(cè)面金屬層厚度，c為長條頂面金屬層厚度，d為介質(zhì)材料條長。圖2為本發(fā)明提供的特定結(jié)構(gòu)參數(shù)下，雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器等離子體振蕩模式頻譜。圖3為本發(fā)明提供的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器z = O剖面內(nèi)等離子體模式電場強(qiáng)度分布，以及介質(zhì)材料長條兩端面間的FP腔反饋機(jī)制。圖4為本發(fā)明提供的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器X = O剖面內(nèi)等離 子體模式電場強(qiáng)度分布，以及光場在I維度、z維度上克服衍射極限的納米級尺度。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明提供了一種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，該等離子體激光器結(jié)構(gòu)是在雙維尺度低于激射波長衍射極限的介質(zhì)材料上生長金屬層以實(shí)現(xiàn)等離子體模式振蕩，并在另一維度上引入FP腔振蕩反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)與模式的激射。該激光器能夠有效地提高等離子體模式品質(zhì)因子，改良等離子體模式損耗狀況，實(shí)現(xiàn)激光器件小型化。如圖I所示，圖I為本發(fā)明提供的三維坐標(biāo)下等離子體激光器結(jié)構(gòu)示意圖，該等離子體激光器包括一介質(zhì)材料長條；以及一覆蓋于該介質(zhì)材料長條上的金屬層；該等離子體激光器是通過在雙維尺度低于激射波長衍射極限的介質(zhì)材料上生長金屬層以實(shí)現(xiàn)等離子體模式振蕩，并在另一維度上引入FP腔振蕩反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)與模式的激射。其中，介質(zhì)材料長條在未被金屬層覆蓋的端面，其兩個維度上尺寸為幾百個納米，用于克服激射波長衍射極限。介質(zhì)材料長條在覆蓋有金屬層的端面，其兩個維度上尺寸為幾個微米。介質(zhì)材料長條采用的材料是增益介質(zhì)材料，該增益介質(zhì)材料至少為砷化鎵或磷化銦。金屬層的厚度是幾百個納米。金屬層覆蓋于所述介質(zhì)材料長條的上表面、左側(cè)面和右側(cè)面，共三面。金屬層采用的材料是金屬材料，該金屬材料是金、銀或銅。介質(zhì)材料長條的橫向截面形狀是圓形、橢圓形、正方形或矩形。等離子體激光器的FP反饋機(jī)制是由介質(zhì)材料長條未被金屬層覆蓋的兩端面提供，用于實(shí)現(xiàn)等離子體模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)。該等離子體激光器的工作波長位于可見光、紅外波段。在圖I中，xyz坐標(biāo)中心原點(diǎn)位于激光器介質(zhì)材料長條幾何中心，金屬層材料為銀，服從德魯?shù)律㈥P(guān)系，色散參數(shù)等離子體頻率ωρ= 1.37X1016rad/s、阻尼衰減頻率ωτ = 27.32X 1012rad/s。激光器介質(zhì)材料長條折射率為3. 4(可選用磷化銦等各類增益介質(zhì)材料)，外部環(huán)境為空氣，等離子體激光器個結(jié)構(gòu)參數(shù)為a = 200nm, b = IOOnm, c =200nm, d = 3000mn。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的三維坐標(biāo)下等離子體激光器內(nèi)等離子體振蕩模式，保持特定激勵源電場偏振方向以激勵出有效的等離子體模式，由譜圖可見介質(zhì)材料長條的FP腔作用明顯。以圖中歸一化頻率0. 8258處等離子體模式為例，其等離子體模式品質(zhì)因子可高達(dá)206. 2，在圖2歸一化頻率O. 9044處的等離子體模式品質(zhì)因子可實(shí)現(xiàn)更大238. 0，對等離子體模式而言該類激光器可實(shí)現(xiàn)較高的品質(zhì)因子，有利于激光器件性能改善。如圖3所示，圖3為激光器內(nèi)歸一化頻率O. 8258處等離子體模式經(jīng)由介質(zhì)材料長條兩端面FP腔反饋?zhàn)饔煤笮纬傻牡入x子體駐波模式。等離子體模式強(qiáng)烈局域在介質(zhì)材料長條內(nèi)部，等離子體模式光場可同實(shí)際操作中采用的增益介質(zhì)材料很好交疊，激光器工作時可實(shí)現(xiàn)良好的增益補(bǔ)償。如圖4所示，圖4為激光器內(nèi)歸一化頻率O. 8258處等離子體模式y(tǒng)z平面內(nèi)光場分布范圍，清晰可見該等離子體激光器內(nèi)等離子體工作模式光場被強(qiáng)烈局域，在y，z兩個維度上擴(kuò)展范圍均在大約200nm尺度，均遠(yuǎn)低于光波衍射極限尺度，光場尺度遠(yuǎn)小于自由
空間衍射極限面積
權(quán)利要求
1.一種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，包括 一介質(zhì)材料長條；以及 一覆蓋于該介質(zhì)材料長條上的金屬層； 該等離子體激光器是通過在雙維尺度低于激射波長衍射極限的介質(zhì)材料上生長金屬層以實(shí)現(xiàn)等離子體模式振蕩，并在另一維度上引入FP腔振蕩反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)與模式的激射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述介質(zhì)材料長條在未被金屬層覆蓋的端面，其兩個維度上尺寸為幾百個納米，用于克服激射波長衍射極限。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述介質(zhì)材料長條在覆蓋有金屬層的端面，其兩個維度上尺寸為幾個微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述介質(zhì)材料長條采用的材料是增益介質(zhì)材料，該增益介質(zhì)材料至少為砷化鎵或磷化銦。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述金屬層的厚度是幾百個納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述金屬層覆蓋于所述介質(zhì)材料長條的上表面、左側(cè)面和右側(cè)面，共三面。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述金屬層采用的材料是金屬材料，該金屬材料是金、銀或銅。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述介質(zhì)材料長條的橫向截面形狀是圓形、橢圓形、正方形或矩形。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，所述等離子體激光器的FP反饋機(jī)制是由介質(zhì)材料長條未被金屬層覆蓋的兩端面提供，用于實(shí)現(xiàn)等離子體模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，其特征在于，該等離子體激光器的工作波長位于可見光、紅外波段。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙維度上克服衍射極限的等離子體激光器，包括一介質(zhì)材料長條；以及一覆蓋于該介質(zhì)材料長條上的金屬層；該等離子體激光器是通過在雙維尺度低于激射波長衍射極限的介質(zhì)材料上生長金屬層以實(shí)現(xiàn)等離子體模式振蕩，并在另一維度上引入FP腔振蕩反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)模式品質(zhì)因子的增強(qiáng)與模式的激射。利用本發(fā)明，能夠有效地提高等離子體模式品質(zhì)因子，改良等離子體模式損耗狀況，實(shí)現(xiàn)激光器件小型化，以及光電子器件的高度集成。
文檔編號H01S5/10GK102646928SQ20121013520
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月2日
發(fā)明者付非亞, 周文君, 晏新宇, 王宇飛, 鄭婉華, 陳微 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所