[发明专利]一种表面等离激元激光器及其制备方法

说明书

本发明属于表面等离激元纳米激光领域，具体涉及一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，所述激光器包括单晶的银纳米线对、增益介质以及超光滑金属膜，超光滑金属膜上设有隔离层，增益介质设置于隔离层上，单晶的银纳米线对分别设置于增益介质的两侧，使得银纳米线对和超光滑金膜构成复合结构的表面等离激元共振腔，提供强电场束缚以及定向散射特性。本发明提出的表面等离激元激光器，制备流程简单、易于操作，能够将泵浦光有效地转化为表面等离激元，并将其很好的束缚在共振腔内，实现了激光的高效激发，获得了超低的激发阈值，更加适用于微纳片上光学集成；借助表面等离激元共振腔的散射定向性，可改善等离激元激光器的方向性差的问题。本发明拓展了表面等离激元激光器在集成光学领域上的应用。

技术领域

本发明属于表面等离激元纳米激光领域，具体涉及一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的新型表面等离激元激光器及其制备方法。

背景技术

激光是受激辐射的光放大，具有高强度、高度方向性和单色性的优点。自从1960年第一台激光器问世以来，激光器已经在科学研究和日常生活的各领域发挥了至关重要的作用。在过去几十年中，随着激光技术的快速发展，以及对激光应用需求的日益增长，人们着力于开发峰值功率更高、脉冲持续时间更短、腔尺寸更小和光谱范围更广的激光器。其中，为了不断实现激光器的小型化、微型化，大量研究人员设计制备了：异质结构、量子阱、垂直腔面发射激光器、微盘、光子晶体等一系列复杂的结构，在通过缩小的腔尺寸将激光器从宏观尺度缩小到波长水平方面取得了巨大成功。然而，腔尺寸本质上受到光学衍射极限的限制，如何突破衍射极限，进一步将激光器的模式体积突破到亚波长、深亚波长尺度，已然成为当下集成芯片领域的研究热点。

表面等离激元(SPPs)是电磁场与金属表面自由电子相互作用而形成的电磁模，它能够将电磁波约束在亚波长尺度，进而突破光的衍射极限，使得基于表面等离激元的微纳光学器件能够在亚波长尺度下控制光信息的传输与处理，进而为发展全光集成的纳米光学器件提供了强有力的平台。2003年，伯格曼和斯托克曼提出：利用等离激元共振腔，实现表面等离激元受激辐射放大(SPASER)的概念，该腔的尺寸会缩小到远低于光在真空中的衍射极限。等离激元腔中光场的超紧束缚特性，在实现超紧凑腔模式、超快激光调制以及显著提升腔内增益材料的吸收和发射效率等方面起着至关重要的作用，因而可进一步促进激光器前沿技术的发展。

然而，由于表面等离激元的激发需要引入金属，这就意味着激光器具有高损耗的缺点。其中，金属的损耗分为：内部自由电子的散射损耗以及对光子的吸收损耗；金属薄膜表面粗糙度带来的散射损耗。这就导致表面等离激元激光器具有较高的阈值，严重限制了它的实际应用。近二十年来，为了克服表面等离激元激光器高阈值的缺点，研究人员展开了大量的科学研究。但是其中多数以平面等离激元激光器为主，很少有研究者关注更加复杂的低维等离激元激光器的特性。这种差异可能是因为复杂的表面等离激元波导或腔体不仅需要具有较大的晶粒尺寸以及较好的晶粒均匀性，同时需要保证加工出高度精确的几何形状，如楔形、凹槽等结构，以减少因复杂加工引入的散射损耗。然而，凹槽、楔形等复杂的几何形状，通常需要聚焦离子束刻蚀技术等纳米加工工艺。这种方法制备困难、加工成本高，并不可避免的引入表面结构缺陷，进而增大了等离激元激光器的阈值，极大地降低了其应用价值。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出的新型表面等离激元激光器借助表面等离激元共振腔的电场强束缚特性、散射定向性，可改善等离激元激光器阈值高以及方向性差的问题。

根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：

一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，所述激光器包括单晶的银纳米线对、增益介质以及超光滑金属膜，超光滑金属膜上设有隔离层，增益介质设置于隔离层上，单晶的银纳米线对分别设置于增益介质的两侧，使得银纳米线对和超光滑金属膜构成复合结构的表面等离激元共振腔，提供强电场束缚以及定向散射特性。