[发明专利]栅状电极增强表面等离激元激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种栅状电极增强表面等离激元激光器，该激光器包括表面等离激元衬底、多量子阱纳米线和栅状电极。本发明利用栅状电极对纳米结构实施电磁场刺激，同时利用等离激元可与增益介质中的激子形成共振耦合从而实现增益介质中光子的受激辐射，成功获得了增强型表面等离激元纳米激光器，核心在于通过采用栅状电极对纳米光腔中的载流子实施电磁场刺激，从而增强纳米光腔中的光产生高效率的激发，降低了表面等离激元激光器的阈值，实现了室温下0.8W/cm²低阈值激射，提高激光器的品质因子Q值。本发明特色在于栅状电极与纳米光腔无接触，在实施电磁场加载的同时有效避免了漏电问题，在一个维度上可突破光学衍射极限的限制。

技术领域

本发明涉及一种栅状电极增强表面等离激元激光器结构及其制备方法，属于激光技术领域。

背景技术

激光器自问世以来，在工业、医疗、军事等领域有着重要的应用。近年来，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，

比如光电技术，激光医疗与光子生物学。但上述激光器在尺寸上无法突破光学衍射极限的限制，在实现超小尺寸、超低阈值等方面还需要进一步探索。2003年,Bergman和Stockman首次提出了在亚波长尺度下等离激元放大受激辐射的基本构想，2009年张翔教授课题组用杂化等离激元波导结构实现了室温下等离激元纳米激光器的激射,其阈值为76.25MW/cm²，受到了学术界的广泛关注。此后，不同类型的等离激元激光器以及采用不同材料的等离激元激射相继被报道。2012年，美国德克萨斯大学提出使用InGaN/GaN核壳结构的纳米线作为增益材料，实现了连续光泵浦的表面等离激元激光器。本课题组也一直致力于等离激元激光器的研究，2017年本课题组通过将InGaN/GaN纳米线放置在金属银表面实现了等离激元激光器室温下的低阈值激射，阈值为1.5kW/cm²。2020年继续对等离激元激光器的耦合距离进行优化，可进一步降低激光器的阈值到4W/cm²。优化等离激元激光器结构，提高等离激元激光器的性能，对实现超小尺寸超低阈值激光器激射有重要的意义，可应用于生物传感、超分辨显示、光通信等领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种栅状电极增强表面等离激元激光器，实现了室温下0.8W/cm²低阈值激射。

本发明采用的技术方案为：一种栅状电极增强表面等离激元激光器结构，其结构自上而下依次包括：

一衬底；

一生长在衬底上的第一绝缘介质层；

一生长在第一绝缘介质层上的金属薄膜层；

一生长在金属薄膜层上的第二绝缘介质层；

一设置在第二绝缘介质层上的栅状电极增强层；

还包括多量子阱纳米线，作为增益介质散布在第二绝缘介质层表面，并且处于栅状电极之间。

优选的，栅状电极增强层包括多个平行分布的条形金镍合金电极，条形金镍合金电极的厚度为50-400nm，条形金镍合金电极的宽度为1-3μm，相邻条形金镍合金电极之间的间隔稍大于多量子阱纳米线的长度，使其可以容纳下多量子阱纳米线。

优选的，所述的金属薄膜层的材料为金、银、铝中的任意一种。

优选的，所述的栅状电极的材料为金镍合金。

优选的，所述金属薄膜层的厚度为5-200nm。

优选的，第一绝缘介质层和第二绝缘介质层的材料为二氧化硅、碳化硅、二氟化镁、三氧化二铝或氟化锂。

优选的，所述第一绝缘介质层的厚度为100-300nm，所述第二绝缘介质层的厚度为5-200nm。