一种基于金属腔的表面等离激元激光器的制作方法

本发明涉及一种微激光器，具体涉及一种基于金属腔的表面等离激元激光器。

背景技术：

半个世纪以来，激光器正在朝着更小体积、更快调制速度、更大功率、更高效率等方向飞速发展。然而，传统半导体激光器受到衍射极限的限制，不管是在光场模式尺寸还是在器件物理尺寸上都无法超越光场的半波长。因此，如何进一步缩小激光器的尺寸，为未来纳米尺度集成光学芯片提供相干光源，实现纳米尺度下的超小型激光器，一直是激光技术领域亟待解决的关键问题。

最近研究表明，局域在金属-介质界面上的表面等离激元能够将光场限制在亚波长乃至深亚波长尺度内，从而突破衍射极限。基于表面等离激元的纳米激光器利用波导中的表面等离激元模式来实现光场的三维限制和传输，经由谐振腔反馈放大产生突破衍射极限的纳米量级激光发射。

2009年，美国加州大学伯克利分校的张翔等人首次报道了一种基于cds半导体纳米线的表面等离激元激光器，其光学模式尺寸比衍射极限小一百倍。激光器由一种杂化的型表面等离激元波导组成，该波导自上而下依次是一根高增益的cds半导体纳米线，5nm厚的mgf2绝缘间隙层和一层金属银膜。这种波导结构能够将半导体纳米线和金属银膜界面的表面等离激元模式限制在低折射率的mgf2绝缘间隙层中传输，大大降低了该模式在金属中的能量损耗，从而实现表面等离激元波的远距离传输。在这种激光器中，纳米线既是增益介质，同时纳米线的两个端面构成fabry-perot(f-p)腔，作为激光器的谐振腔。沿纳米线传播的表面等离激元波，被纳米线的两个端面来回反射，并在传输过程中不断被增益介质放大最终实现激光激射。此后，许多研究人员利用这种由金属膜、绝缘介质和半导体纳米线组成的波导结构实现了各种波长以及波长可调的表面等离激元激光。然而，由于表面等离激元波在纳米线端面的反射率<20％，因此这种谐振腔的反射损耗很大，使得这种基于半导体纳米线的激光器只能在超低温的环境下工作。此外，由于纳米线是通过化学气相沉积等方法生长出来的，因此纳米线(即激光器的谐振腔)的物理尺寸和形状很难精确控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的主要技术问题是，提供一种基于金属腔的表面等离激元激光器，其克服了背景技术中基于半导体纳米线的表面等离激元激光器存在的不足，可以精确控制激光器的物理尺寸并且可在室温工作

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种基于金属腔的表面等离激元激光器，该激光器包括表面等离激元波导和金属腔；所述表面等离激元波导包括依次层叠设置的透明衬底层、金属薄膜层、第一绝缘介质层、增益介质层、第二绝缘介质层和金属厚膜层；所述金属腔是利用刻蚀技术嵌入在表面等离激元波导中作为激光器的谐振腔，所述金属腔由垂直金属反射镜组成，并且由金属厚膜层延伸至透明衬底层。

在一较佳实施例中：所述金属厚膜层、金属薄膜层以及金属腔的材料为金、银、铝、铜中的任意一种；所述金属薄膜层是通过磁控溅射、电子束蒸发或脉冲激光沉积等方法镀在透明衬底上的。

在一较佳实施例中：所述绝缘介质层为二氟化镁、三氧化二铝、二氧化硅、氟化锂其中之一；所述绝缘介质层的厚度在5～50nm之间，位于金属薄膜层和增益介质层之间。通过电子束蒸发、原子层沉积的方法沉积在金属薄膜层或增益介质层上。

在一较佳实施例中所述增益介质层是由发光半导体制作的半导体纳米带、半导体纳米线、半导体量子点、或者掺有激光染料分子的介质其中之一。所述发光半导体材料可以是硒化镉、硫化镉、氧化锌、砷化镓、铟氮化镓和和磷砷化镓铟中的一种；掺有激光染料分子的介质采用罗丹明或荧光素钠；发光半导体通过化学气相沉积(cvd)、分子束外延(mbe)、水热法等方法进行生长。掺有激光染料分子的介质通过直接掺入或是扩散的方法将染料分子掺入介质中。

在一较佳实施例中：所述金属腔为平行平面腔、凹凸腔、平凹腔、圆形腔、三角形腔、四边形腔和多边形腔其中之一。

上述金属腔的制备分为两步：首先利用刻蚀技术在表面等离激元波导上刻蚀出一个和腔镜同样形状和尺寸的区域；其次在上述刻蚀后的区域上沉积一层厚度大于1微米的金属膜，其目的是使被刻蚀的区域完全填充满金属从而形成金属反射镜。

本发明提出的基于金属腔的表面等离激元激光器工作原理如下：泵浦光经透明衬底一侧入射至金属腔中的增益介质层上，增益介质层中的电子吸收光子的能量后发生能级跃迁，处于高能态的电子在返回基态的过程中将能量传递给增益介质层和金属薄膜层界面上的表面等离激元模式，当泵浦光功率超过表面等离激元模式的激射阈值时，发生受激辐射，经由金属腔反馈放大产生表面等离激元激光。

本发明的优点：

1.本发明采用金属腔作为谐振腔，沿波导传播的表面等离激元模式在金属腔的腔镜处的反射率大于90％，这远大于其在纳米线端面的反射率(<20％)，因此利用金属腔作为谐振腔可以有效降低谐振腔的反射损耗，提高激光的q值，从而降低表面等离激元激光的激射阈值，使其可以在室温下工作。

2.谐振腔的形状和尺寸可通过刻蚀技术精确控制。

3.本发明提出的表面等离激元波导结构可采用金刚石、碳化硅和铌酸锂等具有高折射率的透明材料作为衬底，可以有效抑制波导中光学模式的产生。

4.由于金属腔对电磁场的束缚能力比介质腔更强，并且金属腔的反射镜比多层介质膜或光子晶体反射镜所占的体积更小，因此利用金属腔可以进一步缩小激光器的物理尺寸，并且这种基于金属腔的激光器可以很好地与电子芯片兼容。

5.本发明在金属薄膜层和增益介质层之间设置低折射率的绝缘介质层，其目的在于将波导中表面等离激元模式的电磁场更好地限制在绝缘介质层中，降低表面等离激元模式在金属薄膜层中的损耗，同时可以避免增益介质层中由于被激发光产生的光生载流子与金属薄膜层中的载流子发生非辐射复合。

附图说明

图1是本发明设计的基于金属腔的表面等离激元激光器的一个具体实施例的结构示意图(剖视图)；

图2是本发明的基于金属腔的表面等离激元激光器的一个具体实施例的光学显微镜图(俯视图)。图中：1为表面等离激元波导，2为一个12μm长、4μm宽的f-p金属腔；

图3是本发明的表面等离激元波导的一个具体实施例的扫描电子显微镜sem图；

图4是本发明的基于f-p金属腔的表面等离激元激光器的一个具体实施例在不同泵浦光功率密度下的发射光谱。

图5是本发明的基于f-p金属腔的表面等离激元激光器的一个具体实施例的典型阈值图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1和图2所示，本实施例的基于金属腔的表面等离激元激光器包括：表面等离激元波导1和金属腔2；其中，表面等离激元波导1进一步包括高折射率透明衬底层11、金属薄膜层12、绝缘介质层13、增益介质层14、绝缘介质层15和金属厚膜层16；金属薄膜层12镀在透明衬底层11上，绝缘介质层13镀在金属薄膜层12上，增益介质层14为半导体纳米带，紧贴在绝缘介质层13的表面上，其间无间隙，绝缘介质层15镀在增益介质层14上，金属厚膜层16镀在绝缘介质层15上。金属腔2由垂直金属反射镜组成，金属反射镜的顶端与金属厚膜层16相连接，最底端位于衬底层11中，金属反射镜的最底端距衬底层11-金属薄膜层12的交界处的距离为h，实验中h≈130nm。

图3是本实施例的表面等离激元波导截面的扫描电子显微镜sem图。衬底层11为单晶碳化硅(折射率2.62)，厚度～330μm，尺寸10mm×10mm；用电子束蒸发的方法在碳化硅衬底上蒸镀18nm厚的银膜作为金属薄膜层12；用电子束蒸发的方法在金属薄膜层上接着蒸镀6nm厚的二氟化镁作为绝缘介质层13；利用cvd方法生长的硒化镉单晶纳米带作为增益介质层14放置于绝缘介质层13上，此实施例中增益介质层的厚度为50～300nm；用电子束蒸发的方法在增益介质层上蒸镀6nm厚的二氟化镁作为绝缘介质层15；用电子束蒸发的方法在绝缘介质层15上蒸镀200nm厚的银膜作为金属厚膜层16。

泵浦光经物镜聚焦后从碳化硅衬底一侧入射到金属腔中硒化镉纳米带上，硒化镉纳米带作为增益介质层14，其电子吸收光子后发生能级跃迁，然后通过能量共振转移的方式将能量传递给金属薄膜层12-增益介质层14界面和金属厚膜层16-增益介质层14界面的表面等离激元模式，当泵浦光的功率超过激光的激射阈值时，沿波导中传播的表面等离激元模式经由金属腔的反馈放大最终产生表面等离激元激光。由于金属腔2的底部是一层金属厚膜层16，因此产生的表面等离激元激光只能从透明衬底层11一侧出射。

图4是本发明的基于f-p金属腔的表面等离激元激光器的一个具体实施例(f-p腔的尺寸为：12μm长×4μm宽×320nm高)从碳化硅衬底一侧测量得到的不同泵浦光功率下的发射光谱，图中左侧的数字为泵浦光的峰值功率密度，单位gw/cm²。从图4可以看到，当泵浦能量较低时(ipump≈0.43gw/cm²)，发射光谱为一个宽的荧光谱(线宽～37nm)。当泵浦光功率逐渐增加以至刚超过激光阈值时(ipump≈1.3gw/cm²)，光谱上出现四个明显的激光峰，峰值波长分别为691.1、695.5、699.9、和702.7nm。当泵浦光功率继续增加后(ipump≈1.55gw/cm²和1.84gw/cm²)，发射光谱上出现更多的激光峰，由于这些激光峰的峰值波长间隔很小导致它们连在一起构成了一个连续的宽光谱，随着泵浦光功率进一步增大(ipump≥2.2gw/cm²)，在激光谱的右侧又形成了一些新的分立的激光峰。图中箭头所指的激光峰的q值可达1170，这是目前所报道的表面等离激元激光中q值最大的。

图5是本发明的基于f-p金属腔的表面等离激元激光器的一个具体实施例(f-p腔的尺寸为：12μm长×4μm宽×320nm高)在室温下测量得到的表面等离激元激光的输出强度随入射泵浦光峰值功率密度的变化关系。输入-输出光强的非线性响应标志着表面等离激元激光的产生，相应的表面等离激元激光的阈值约为1.3gw/cm²，这是一个工作在室温下的表面等离激元激光器的典型阈值。

以上所述仅为本发明较佳实施例，故不能依此限定本发明的技术范围，故凡依本发明的技术实质及说明书内容所作的等效变化与修饰，均应属本发明技术方案的范围内。