[发明专利]一种基于二维材料的等离激元随机激光阵列器件

说明书

本发明公开了一种基于二维材料的等离激元随机激光阵列器件，由阵列化的激光腔室单元所组成，所述随机激光阵列器件的整体结构位置关系由下至上依次为泵浦光源(1)、基底(2)、底电极(31)、介质层(4)、由间隔层(5)所围成的激光腔室单元(6)、顶电极(32)；外围驱动电路(7)的两端分别连接底电极(31)和顶电极(32)，底电极(31)、介质层(4)、激光腔室单元(6)、顶电极(32)形成闭合回路。本发明的随机激光阵列使用高光致发光效率的二维材料纳米片作为随机增益介质，并通过金属纳米颗粒的局域表面等离激元效应(LSPR)来有效增强光的散射，降低激光器的阈值。通过改变激光腔室工作电压能够实现对辐射光谱和方向性的动态调节。

技术领域

本发明属于激光技术、二维材料、金属纳米材料及微光机电技术等领域，尤其涉及一种基于二维材料的等离激元随机激光阵列器件。

背景技术

随机激光是一种不需要谐振腔的新型原理的激光，和传统的激光器相比，它不需要谐振腔，由其所包含的随机增益介质中的多重散射效应形成激光，随机增益介质能够对光实现有效的散射及放大。对于随机激光而言，通常需要引入新的纳米光源的技术，利用各种纳米结构提升光与物质相互作用。进一步增强随机增益介质的散射特性，从而降低随机激光的阈值，提升随机激光器的能耗等各方面性能。随机激光器未来发展的趋势是阵列化，激光波长和辐射方向的快速可调谐，动态化。然而，目前已有技术远远无法满足上述需求，例如：TiO₂薄膜随机激光器、ZnO薄膜随机激光器及胶体溶液中掺杂染料微粒的随机激光器等均无法实现动态的可调谐，这将极大的限制随机激光器在光电集成、光子集成等一系列方面的应用。为了充分拓展随机激光器的应用，需要引入一些新的技术来满足上述应用需求。

二维材料，它们具有很强的平面化学键，但是层与层之间的耦合较弱，因而层状结构的体材料可以被分离成独立的原子层。范德瓦耳斯家族的材料是最常见的二维材料。其包括石墨烯、六方氮化硼h-BN、二硫化钼(MoS2)等过渡金属硫化物。对于二硫化钼而言，层与层之间通过范德华力耦合，每层上下两层为硫原子组成的六角平面，被中间的金属钼原子层隔开，从而形成了“三明治”。二硫化钼等二维材料有着许多优异的光学性质，如：禁带宽度与材料的层数有关；在外界光源照射下，层间会形成受缚激子从而产生强烈的光致发光效应。局域等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)是金属纳米结构在亚波长范围内与光强烈相互作用引发的共振增强效应，在金属纳米表面形成强烈的光场。另外，对于二硫化钼等二维材料与金属纳米颗粒的复合结构，金属纳米颗粒LSPR效应所产生的热电子-空穴对能够实现对二维材料的掺杂，调控二维材料的带隙。

电润湿(Electrowetting，EW)是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象。电润湿技术是一种利用油水两相界面效应在微米尺度实现液滴的动态调谐。这种技术具有响应速度快、可调范围大、面积弧度均为调节、成本低等优点。是一种新型的动态可调谐技术，并已在微透镜、电润湿显示和微流体实验室等方面有着广泛应用。本发明提出将这种技术与等离激元纳米颗粒的LSPR效应结合起来用于研制全新概念的随机激光器，将具有激光阈值低、方向性及激光光谱动态可调谐等特性。

本发明针对现有随机激光器阈值较高及激光波长、辐射方向无法调谐等瓶颈问题，并结合上述新原理、新技术、新材料提出了一种光谱可调谐的可见光至近红外波段的随机激光阵列，并具有低阈值、工艺简单等优点。为随机激光器在光子、光电器件方面的应用有着重要意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了解决现有的随机激光器存在激光阈值高、辐射光谱、方向性不可调谐等瓶颈问题。提出了一种基于二维材料的等离激元随机激光阵列器件，通过使用高光致发光效应的二维材料作为随机增益介质，能够能够有效的降低激光阈值并动态的调谐激光波长和激光的方向性，制备工艺简单，并能制备成阵列化的随机激光器。