[實(shí)用新型]基于金屬腔的表面等離激元激光器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201820011680.0
• 申請(qǐng)日: 2018-01-04
• 公開（公告）號(hào): CN207938961U
• 公開（公告）日: 2018-10-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 溫秋玲;張家森;徐西鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華僑大學(xué)
• 主分類號(hào): H01S5/028
• 分類號(hào): H01S5/028;H01S5/04;H01S5/10;H01S5/30
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;張迪

本實(shí)用新型公開了一種基于金屬腔的表面等離激元激光器，包括表面等離激元波導(dǎo)和金屬腔。本實(shí)用新型的金屬腔是利用刻蝕技術(shù)嵌入在表面等離激元波導(dǎo)中作為激光器的諧振腔，因此金屬腔的形狀和尺寸可精確控制。由于金屬腔的腔鏡對(duì)腔中表面等離激元模式的反射率超過90％，使得金屬腔中表面等離激元激光的Q值高達(dá)1170。本實(shí)用新型的表面等離激元激光器采用金屬腔作為激光器的諧振腔，具有物理尺寸小、品質(zhì)因數(shù)大、形狀和尺寸可精確控制、制備工藝簡單成熟、室溫工作，可與電子芯片兼容等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型涉及一種微激光器，具體涉及一種基于金屬腔的表面等離激元激光器。

背景技術(shù)

半個(gè)世紀(jì)以來，激光器正在朝著更小體積、更快調(diào)制速度、更大功率、更高效率等方向飛速發(fā)展。然而，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器受到衍射極限的限制，不管是在光場模式尺寸還是在器件物理尺寸上都無法超越光場的半波長。因此，如何進(jìn)一步縮小激光器的尺寸，為未來納米尺度集成光學(xué)芯片提供相干光源，實(shí)現(xiàn)納米尺度下的超小型激光器，一直是激光技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

最近研究表明，局域在金屬-介質(zhì)界面上的表面等離激元能夠?qū)⒐鈭鱿拗圃趤啿ㄩL乃至深亞波長尺度內(nèi)，從而突破衍射極限。基于表面等離激元的納米激光器利用波導(dǎo)中的表面等離激元模式來實(shí)現(xiàn)光場的三維限制和傳輸，經(jīng)由諧振腔反饋放大產(chǎn)生突破衍射極限的納米量級(jí)激光發(fā)射。

2009年，美國加州大學(xué)伯克利分校的張翔等人首次報(bào)道了一種基于CdS半導(dǎo)體納米線的表面等離激元激光器，其光學(xué)模式尺寸比衍射極限小一百倍。激光器由一種雜化的型表面等離激元波導(dǎo)組成，該波導(dǎo)自上而下依次是一根高增益的CdS半導(dǎo)體納米線，5nm厚的MgF₂絕緣間隙層和一層金屬銀膜。這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠?qū)雽?dǎo)體納米線和金屬銀膜界面的表面等離激元模式限制在低折射率的MgF₂絕緣間隙層中傳輸，大大降低了該模式在金屬中的能量損耗，從而實(shí)現(xiàn)表面等離激元波的遠(yuǎn)距離傳輸。在這種激光器中，納米線既是增益介質(zhì)，同時(shí)納米線的兩個(gè)端面構(gòu)成Fabry-Perot(F-P)腔，作為激光器的諧振腔。沿納米線傳播的表面等離激元波，被納米線的兩個(gè)端面來回反射，并在傳輸過程中不斷被增益介質(zhì)放大最終實(shí)現(xiàn)激光激射。此后，許多研究人員利用這種由金屬膜、絕緣介質(zhì)和半導(dǎo)體納米線組成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了各種波長以及波長可調(diào)的表面等離激元激光。然而，由于表面等離激元波在納米線端面的反射率<20％，因此這種諧振腔的反射損耗很大，使得這種基于半導(dǎo)體納米線的激光器只能在超低溫的環(huán)境下工作。此外，由于納米線是通過化學(xué)氣相沉積等方法生長出來的，因此納米線(即激光器的諧振腔)的物理尺寸和形狀很難精確控制。

實(shí)用新型內(nèi)容

本實(shí)用新型所要解決的主要技術(shù)問題是，提供一種基于金屬腔的表面等離激元激光器，其克服了背景技術(shù)中基于半導(dǎo)體納米線的表面等離激元激光器存在的不足，可以精確控制激光器的物理尺寸并且可在室溫工作

為了解決上述的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供了一種基于金屬腔的表面等離激元激光器，該激光器包括表面等離激元波導(dǎo)和金屬腔；所述表面等離激元波導(dǎo)包括依次層疊設(shè)置的透明襯底層、金屬薄膜層、第一絕緣介質(zhì)層、增益介質(zhì)層、第二絕緣介質(zhì)層和金屬厚膜層；所述金屬腔是利用刻蝕技術(shù)嵌入在表面等離激元波導(dǎo)中作為激光器的諧振腔，所述金屬腔由垂直金屬反射鏡組成，并且由金屬厚膜層延伸至透明襯底層。

在一較佳實(shí)施例中：所述金屬厚膜層、金屬薄膜層以及金屬腔的材料為金、銀、鋁、銅中的任意一種；所述金屬薄膜層是通過磁控濺射、電子束蒸發(fā)或脈沖激光沉積等方法鍍?cè)谕该饕r底上的。

在一較佳實(shí)施例中：所述絕緣介質(zhì)層為二氟化鎂、三氧化二鋁、二氧化硅、氟化鋰其中之一；所述絕緣介質(zhì)層的厚度在5～50nm之間，位于金屬薄膜層和增益介質(zhì)層之間。通過電子束蒸發(fā)、原子層沉積的方法沉積在金屬薄膜層或增益介質(zhì)層上。