专利名称：一种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及微纳结构研究及等离子体光电子器件技术领域，尤其涉及一类双维度上克服衍射极限的等离子体激光器。
背景技术：
激光科学领域中，人们已经成功的设计制造出日益大功率、更快速、更小型化的单色相干性好的光源，例如最近研究报到出基于光子晶体、纳米线等微纳结构的可接近衍射极限尺度的各类激光器件。但是该类激光器在光学模式体积以及器件物理尺寸方面都存在明显的局限性，其尺度都远大于结构内光场的半波长度。因此设计制造可产生激光现象，可实现高度集成化的克服光学衍射极限尺度的纳米量级的光源和激光器仍然是一项基本而关键性的挑战。 目前为止研究人员发现，解决这项问题的一个有效方法是引入金属以产生表面等离子体模式，有如文献 I :“S.A. Maier et al, NATURE MATERIALS, 2003 (2) :229_232” 报道的表面等离子体模式可以将光场紧密的局限在远低于其衍射极限的尺度范围内，以实现光学器件的小型化和高度集成化。同时也产生金属带来的光学波段个的欧姆热阻损耗问题，对基于表面等离子体模式的纳米尺度的激光器件实现带来阻碍，研究人员往往通过引入高增益性的介质材料来补偿该类损耗，改良激光器件性能。其中基于耦合等离子体模式的纳米线等离子体波导可以在一定程度上克服金属引入的欧姆热阻损耗同时保持光学模式远低于衍射极限的极小尺度。有如文献2:“R. F. Oulton，V. J. Sorger，D. A. Pile，X. Zhang et al, NATURE PHOTONICS, 2008 (2)495-500”报道的用于亚波长尺度光学限制与传输的耦合等离子体波导，等离子体波导由介质材料纳米线与金属层间加入纳米尺度的介质层分隔形成。该类波导同时实现低损耗以及深亚波长的光传输。基于等离子体模式以及FP腔振荡反馈机制的激光器，有如文献3 :“R. F. Oulton,V. J. Sorger, R. M. Ma, X，Zhang et al, NATURE, 2009 (461) :629_632” 报道了深亚波长尺度的等离子体激光器，等离子体激光器由半导体材料纳米线与金属层间加入纳米尺度的介质层分隔形成，该类激光器实现激光器光学模式克服衍射极限尺度，实现器件尺度的小型化。
发明内容
(一 )要解决的技术问题有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种双维上度克服衍射极限的等离子体激光器，该等离子体激光器是在双维尺度低于激射波长衍射极限的介质材料上生长金属层以实现等离子体模式振荡，并在另一维度上引入FP腔振荡反馈机制，实现模式品质因子的增强与模式的激射。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，包括一介质材料长条；以及一覆盖于该介质材料长条上的金属层；该等离子体激光器是通过在双维尺度低于激射波长衍射极限的介质材料上生长金属层以实现等离子体模式振荡，并在另一维度上引入FP腔振荡反馈机制，实现模式品质因子的增强与模式的激射。上述方案中，所述介质材料长条在未被金属层覆盖的端面，其两个维度上尺寸为几百个纳米，用于克服激射波长衍射极限。上述方案中，所述介质材料长条在覆盖 有金属层的端面，其两个维度上尺寸为几个微米。上述方案中，所述介质材料长条采用的材料是增益介质材料，该增益介质材料至少为砷化镓或磷化铟。上述方案中，所述金属层的厚度是几百个纳米。上述方案中，所述金属层覆盖于所述介质材料长条的上表面、左侧面和右侧面，共
二面O上述方案中，所述金属层采用的材料是金属材料，该金属材料是金、银或铜。上述方案中，所述介质材料长条的横向截面形状是圆形、椭圆形、正方形或矩形。上述方案中，所述等离子体激光器的FP反馈机制是由介质材料长条未被金属层覆盖的两端面提供，用于实现等离子体模式品质因子的增强。上述方案中，该等离子体激光器的工作波长位于可见光、红外波段。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明具有以下优点I、本发明提供的这种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其基本思想是在端面双维上克服衍射极限尺度的介质材料长条上生长金属层，引入等离子体光学模式的强烈局域化特性，使激光器在光学模式及其器件尺寸上同时克服光场衍射极限尺度，实现器件小型化和高度集成化，这种新型的等离子体激光器可以在介质材料长条未被金属层覆盖的端面的两个维度上同时实现深亚波长尺度，为超高度集成化的光电子器件制作提供可能性。2、本发明提供的这种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，介质材料长条未被金属层覆盖的两端面为这种激光器提供纵向的FP振荡反馈机制，为激光器内等离子体振荡模式提供限制与反馈，能够有效改善等离子体激光器的损耗状况，改良器件性能。3、本发明提供的这种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，可通过调整介质材料长条几何参数、金属层厚度参数等调整等离子体模式振荡波长，可在可见光到红外波段较大范围内满足实际工程中激光器工作波长选择的要求。4、本发明提供的这种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，通过适当的设计与工艺制作可以灵活采用光学泵浦或者电学泵浦的注入方式。若采用电学方式，覆盖在介质材料长条上用于提供等离子体模式的金属层可同时用作电注入激光器的电极。5、本发明提供的这种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，采用普遍的各类薄膜生长、外延生长、曝光、腐蚀等半导体加工工艺制作。
图I为本发明提供的三维坐标下，双维度上克服衍射极限的等离子体激光器结构示意图及其结构参数，xyz坐标中心原点位介质材料长条结构几何中心，其中a为介质材料长条截面正方形边长，b为介质材料长条侧面金属层厚度，c为长条顶面金属层厚度，d为介质材料条长。图2为本发明提供的特定结构参数下，双维度上克服衍射极限的等离子体激光器等离子体振荡模式频谱。图3为本发明提供的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器z = O剖面内等离子体模式电场强度分布，以及介质材料长条两端面间的FP腔反馈机制。图4为本发明提供的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器X = O剖面内等离 子体模式电场强度分布，以及光场在I维度、z维度上克服衍射极限的纳米级尺度。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本发明提供了一种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，该等离子体激光器结构是在双维尺度低于激射波长衍射极限的介质材料上生长金属层以实现等离子体模式振荡，并在另一维度上引入FP腔振荡反馈机制，实现模式品质因子的增强与模式的激射。该激光器能够有效地提高等离子体模式品质因子，改良等离子体模式损耗状况，实现激光器件小型化。如图I所示，图I为本发明提供的三维坐标下等离子体激光器结构示意图，该等离子体激光器包括一介质材料长条；以及一覆盖于该介质材料长条上的金属层；该等离子体激光器是通过在双维尺度低于激射波长衍射极限的介质材料上生长金属层以实现等离子体模式振荡，并在另一维度上引入FP腔振荡反馈机制，实现模式品质因子的增强与模式的激射。其中，介质材料长条在未被金属层覆盖的端面，其两个维度上尺寸为几百个纳米，用于克服激射波长衍射极限。介质材料长条在覆盖有金属层的端面，其两个维度上尺寸为几个微米。介质材料长条采用的材料是增益介质材料，该增益介质材料至少为砷化镓或磷化铟。金属层的厚度是几百个纳米。金属层覆盖于所述介质材料长条的上表面、左侧面和右侧面，共三面。金属层采用的材料是金属材料，该金属材料是金、银或铜。介质材料长条的横向截面形状是圆形、椭圆形、正方形或矩形。等离子体激光器的FP反馈机制是由介质材料长条未被金属层覆盖的两端面提供，用于实现等离子体模式品质因子的增强。该等离子体激光器的工作波长位于可见光、红外波段。在图I中，xyz坐标中心原点位于激光器介质材料长条几何中心，金属层材料为银，服从德鲁德色散关系，色散参数等离子体频率ωρ= 1.37X1016rad/s、阻尼衰减频率ωτ = 27.32X 1012rad/s。激光器介质材料长条折射率为3. 4(可选用磷化铟等各类增益介质材料)，外部环境为空气，等离子体激光器个结构参数为a = 200nm, b = IOOnm, c =200nm, d = 3000mn。如图2所示，图2为本发明提供的三维坐标下等离子体激光器内等离子体振荡模式，保持特定激励源电场偏振方向以激励出有效的等离子体模式，由谱图可见介质材料长条的FP腔作用明显。以图中归一化频率0. 8258处等离子体模式为例，其等离子体模式品质因子可高达206. 2，在图2归一化频率O. 9044处的等离子体模式品质因子可实现更大238. 0，对等离子体模式而言该类激光器可实现较高的品质因子，有利于激光器件性能改善。如图3所示，图3为激光器内归一化频率O. 8258处等离子体模式经由介质材料长条两端面FP腔反馈作用后形成的等离子体驻波模式。等离子体模式强烈局域在介质材料长条内部，等离子体模式光场可同实际操作中采用的增益介质材料很好交叠，激光器工作时可实现良好的增益补偿。如图4所示，图4为激光器内归一化频率O. 8258处等离子体模式yz平面内光场分布范围，清晰可见该等离子体激光器内等离子体工作模式光场被强烈局域，在y，z两个维度上扩展范围均在大约200nm尺度，均远低于光波衍射极限尺度，光场尺度远小于自由
空间衍射极限面积
权利要求
1.一种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，包括 一介质材料长条；以及 一覆盖于该介质材料长条上的金属层； 该等离子体激光器是通过在双维尺度低于激射波长衍射极限的介质材料上生长金属层以实现等离子体模式振荡，并在另一维度上引入FP腔振荡反馈机制，实现模式品质因子的增强与模式的激射。
2.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述介质材料长条在未被金属层覆盖的端面，其两个维度上尺寸为几百个纳米，用于克服激射波长衍射极限。
3.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述介质材料长条在覆盖有金属层的端面，其两个维度上尺寸为几个微米。
4.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述介质材料长条采用的材料是增益介质材料，该增益介质材料至少为砷化镓或磷化铟。
5.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述金属层的厚度是几百个纳米。
6.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述金属层覆盖于所述介质材料长条的上表面、左侧面和右侧面，共三面。
7.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述金属层采用的材料是金属材料，该金属材料是金、银或铜。
8.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述介质材料长条的横向截面形状是圆形、椭圆形、正方形或矩形。
9.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，所述等离子体激光器的FP反馈机制是由介质材料长条未被金属层覆盖的两端面提供，用于实现等离子体模式品质因子的增强。
10.根据权利要求I所述的双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，其特征在于，该等离子体激光器的工作波长位于可见光、红外波段。
全文摘要
本发明公开了一种双维度上克服衍射极限的等离子体激光器，包括一介质材料长条；以及一覆盖于该介质材料长条上的金属层；该等离子体激光器是通过在双维尺度低于激射波长衍射极限的介质材料上生长金属层以实现等离子体模式振荡，并在另一维度上引入FP腔振荡反馈机制，实现模式品质因子的增强与模式的激射。利用本发明，能够有效地提高等离子体模式品质因子，改良等离子体模式损耗状况，实现激光器件小型化，以及光电子器件的高度集成。
文档编号H01S5/10GK102646928SQ20121013520
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月2日 优先权日2012年5月2日
发明者付非亚, 周文君, 晏新宇, 王宇飞, 郑婉华, 陈微 申请人:中国科学院半导体研究所