一种基于表面等离子体增强的纳米激光器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳光学以及光电子学领域，特别涉及纳米线激光器。
【背景技术】
[0002]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。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧都沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。表面等离子体具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空间尺寸远小于其自由空间传输波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。在适当的金属与介质组成的表面等离子激元光波导结构中，横向光场分布可被限制在几十纳米甚至更小的范围内，能够超过衍射的限制。
[0003]自上世纪60年代第一台红宝石激光器诞生以来，关于激光器的研究就一直吸引着世界各地的科研工作者。半导体激光器的出现，更使得激光器的应用拓展到更为广阔的空间，目前，紫外半导体激光器广泛应用于生物医疗、信息存储、光电子学等领域，但随着纳米光学和纳米光电子学这两个新兴学科的发展，纳米激光器这一新的概念便成了人们研究的热点。
[0004]过了半个世纪，各种不同形貌的纳米线激光器结构被接连设计出来，同时纳米线的光学，电学，磁学等特性也被不断被人们揭示出来，传统的基于氧化锌，硫化镉等一些半导体纳米激光器的研究引起了科学家广泛关注，通过引入半导体纳米线或纳米阵列来制作纳米尺度的激光器，其中半导体纳米线既是光增益介质，又可以是作为光学的谐振腔，然而这种微型的纳米激光器已经达到衍射极限的水平，同时又也限制了半导体激光器的最小尺寸，如何在有限的尺寸中，有效的提高纳米线所激发光的强度，并且实现器件应用成为最主要的难题。
[0005]为了解决上述问题，突破衍射极限的限制，使激光器尺寸的微型化，近年来基于表面等离子体技术的研究在克服这种限制方面取得了很大的进展，并逐步成为人们研究的热点。基于表面等离子体的这种特性，改进纳米激光器的设计机构，使得激光器件小型化和集成化。
[0006]在“plasmonlasers at deep subwavelength scale(深亚波长表面等离子体激光器)”(美国University of California,Berkeley的张翔等人于2009年发表于《Nature》第Vol.461，PP.629-632，)一文中公开了一种小型半导体激光器，该激光器是在银薄膜表面蒸镀一层厚为5nm的氟化镁绝缘介质层，然后在它的上面通过直径约为10nm硫化镉纳米线的制备而成。对其照射激发光，使银层与纳米线之间产生表面等离子体，从而作为激光器的震荡缓冲层，该激光器通过利用表面等离子体技术，提高缓冲层的场增强效应。
[0007]在公告号为CN 101882752B的专利文件中公开了《一种表面的等离子体纳米激光器》，该激光器包括基底层及其上的金属薄膜层，增益介质纳米线，增益介质纳米线位于金属薄膜层侧面边缘的一侧，其轴线与金属薄膜层边缘平行且两者之间有一定的间隙区域，从而利用间隙产生激光，但这种结构只是利用的纳米线的某个有金属薄膜接触的区域激发表面等离子体，其他不与金属接触的纳米线发光区域并没有激发表面等离子体，这使得纳米线的发光强度降低，整体的能量利用率不高。
[0008]在公告号为CN 102148476B的专利文件中公开了一种《深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器》，该激光器是将可产生横向耦合的深度亚波长表面等离子体激元谐振腔与双输出端直波导制备在金属薄膜衬底上，栗浦光源垂直于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔的端面进入。使谐振腔与双输出端直波导横向等离子体激元耦合从而产生激光。该激光光斑小，强度大。但是这个设计结构较为复杂，制备起来工艺要求较高。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是针对【背景技术】存在的缺陷，研究设计一种半导体-金属谐包裹的环形结构的光强度增强的纳米等离子体激光器，利用金属-半导体组成环形包裹结构来激发表面等离子体，由于将整个纳米线包裹在环形结构中，从而将光场约束在更小的范围内，提高场增强效应，起到约束、增强的效果。
[0010]本发明的解决方案是在氧化锌纳米线表面先溅射一定厚度的隔离介质，用来做缓冲层，使其均匀包裹在纳米线的表面，再溅射一层金属薄膜层，均匀包裹在绝缘层的表面，以构成由纳米线/绝缘介质/金属薄膜/的环形机构的表面等离子体激光器。因此本发明是一种基于表面等离子体的纳米激光器，主要包括:基片、纳米线、绝缘介质层、金属薄膜层；所述纳米线生长于基片上，纳米线侧面溅射一层绝缘介质，绝缘介质层外侧溅射一层金属薄膜，绝缘介质层的厚度与金属薄膜层的厚度比为I: 10?1: 5。
[0011]进一步的，所述绝缘介质层和金属薄膜层的镀膜工艺可以为离子束溅射、磁控溅射、对向靶溅射、射频溅射等。
[0012]进一步的，所述纳米线材料为氧化锌、硫化镉、氮化镓、锑化镓、砸化镉、硫化锌半导体材料中的任意一种。
[0013]进一步的，所述衬底材料为蓝宝石。
[0014]进一步的，所述隔离材料为氟化镁或二氧化硅。
[0015]本发明将可以实现光束控制的微纳结构设计与纳米线激光器设计结合起来，设计出一种基于半导体-金属环形包裹结构的纳米激光器。这样的设计将能够增强的纳米线激光器的光输出功率，从而实现纳米线所发光完成聚焦，准直，偏折。本发明具有体积小，结构简单，可靠性高等诸多优点。为提高纳米激光器件的性能提供了全新的技术途径。
【附图说明】
[0016]图1为半导体-金属环形包裹结构的纳米激光器的结构示意图；
[0017]图2为图1的俯视图；
[0018]图3为仿真实验中该纳米线激光器的电场强分布图；
[0019]图4为该纳米激光器的光场强仿真分布图。
【具体实施方式】
[0020]实施案例I:本案例以纳米线I材料为氧化锌为例，折射率为2.45，半径为lOOnm，长度为2μπι。绝缘介质层2为二氧化硅，它的折射率为1.468，厚度为1nm;金属薄膜层3的材料为银，其折射率为-0.61805i，厚度为50nm;衬底4的材质为氮化镓，体积为(长X宽X高)40μπιΧ40μπιΧ50μπι;本实验在密闭，真空的环境下，采用超高真空双离子束溅射仪，本实施例采用两个高纯度的二氧化硅和银为靶材，通过测量沉积速率和控制沉积沉积时间，使得二氧化硅膜沉积厚度和银膜的沉积厚度比为1:4，本实施例控制的二氧化硅的沉积厚度为10nm，银膜的沉积厚度为40nmo
[0021]本实例模拟单根的氧化锌纳米线进行仿真实验，附图3为本实例基于半导体-金属环形包裹结构的纳米激光器的在y平面和z平面的电场分布图，其中以氧化锌纳米线的中心为圆心，在100?IlOnm范围内的二氧化硅隔离层内产生了巨大的场效应增强，其最大的场强位于1Snm处，为1.5X101()V/m，且输出的光场被较好地约束在二氧化硅隔离层内。附图4为本实例基于半导体-金属环形包裹结构的纳米激光器激发后的光场仿真分布图。
[0022]实施案例2:本案例采用实施案例I中的氧化锌纳米线，使用与实施案例I中相同的二氧化硅和银靶材，通过测量沉积速率和控制沉积沉积时间，使得二氧化硅膜沉积厚度和银膜的沉积厚度比为1:8，本实施例控制的二氧化硅的沉积厚度为5nm，银膜的沉积厚度为40nm。经过仿真计算，以氧化锌纳米线的中心为圆心，在100?105nm范围内产生了巨大的场效应增强，其最大的场强位于104.5nm处，为lX101()V/m。
[0023]背景中，张翔等人在《深亚波长表面等离子体激光器》公开了一种小型的半导体激光器，它的功率密度最高达到131.25Mw.cm—2，最大场强36.2V/m;专利《一种表面的等离子体纳米激光器》公开了一种纳米等离子体激光器，这种激光器功率密度达到9X1017Mw.cm―2，最大场强3X109V/m。本设计是一种半导体-金属谐包裹的环形结构的光强度增强的纳米等离子体激光器，激光器的功率密度达到2.25 X 119Mw.cm—2，场强1.5 X 101()V/m，相比背景中的激光器，本设计在功率密度和场强方面都有较大的提高，并且还具有体积小，阈值电流低，可直接调制等一系列优点，对现代激光器的设计和研制都有一定的参考价值。
【主权项】
1.一种基于表面等离子体的纳米激光器，主要包括:基片、纳米线、绝缘介质层、金属薄膜层;所述纳米线生长于基片上，纳米线侧面溅射一层绝缘介质，绝缘介质层外侧溅射一层金属薄膜，绝缘介质层的厚度与金属薄膜层的厚度比为I: 10?1: 5。2.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体的纳米激光器，其特征在于所述绝缘介质层和金属薄膜层的镀膜工艺可以为离子束溅射、磁控溅射、对向靶溅射、射频溅射等。3.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体的纳米激光器，其特征在于所述纳米线材料为氧化锌、硫化镉、氮化镓、锑化镓、砸化镉、硫化锌半导体材料中的任意一种。4.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体的纳米激光器，其特征在于所述衬底材料为蓝宝石。5.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体的纳米激光器，其特征在于所述隔离材料为氟化镁或二氧化硅。
【专利摘要】该发明公开了一种基于表面等离子体增强的纳米激光器，属于微纳光学以及光电子学领域，特别涉及纳米线激光器。解决方案是在氧化锌纳米线表面先溅射一定厚度的隔离介质，用来做缓冲层，使其均匀包裹在纳米线的表面，再溅射一层金属薄膜层，均匀包裹在绝缘层的表面，以构成由纳米线/绝缘介质/金属薄膜/的环形机构的表面等离子体激光器。具有体积小，结构简单，可靠性高等诸多优点。为提高纳米激光器件的性能提供了全新的技术途径。
【IPC分类】H01S5/30
【公开号】CN105552716
【申请号】CN201610125719
【发明人】赵青, 林恩, 黄小平, 王鹏, 焦蛟
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2016年3月4日