表面等离激元激光器微腔

本公开涉及激光领域和微纳系统，尤其涉及一种表面等离激元激光器微腔。

背景技术：

1、激光器被广泛应用于信息、通信、生物、军事等多个领域，为改善人们的生活起到至关重要的作用。其中，微纳激光器在光通信，激光雷达，光子集成芯片等方面起到非常关键的作用。微纳激光器有可能在人工智能，感知技术，物联网等方面取得进一步的应用，这些新的需求对微纳激光器的发展提出了新的要求，包括小尺寸，高精度，快响应，低成本，低损耗，易调控。

2、激光器的发展存在着小型化的趋势，自激光器问世以来，激光器的尺寸越来越小，从米尺寸到纳米尺寸。而传统光子模式激光器的研究越来越接近衍射极限。为了突破衍射极限的限制，表面等离激元激光器应运而生。表面等离激元是电磁波与金属表面的电子集体震荡相耦合产生的一种准粒子，由于其相对更高的光子密度，可以让模式尺寸突破衍射极限。

3、目前已实现多种结构的表面等离激元激光器。其中，纳米线结构具有天然的微腔特性，增益介质组成的纳米线已经被广泛用于激光器制备中。但是由于纳米线微腔的结构特性，使得激光器辐射损耗大品质，因数低的，严重影响了激光器的性能。

技术实现思路

1、针对现有技术问题，本公开提供一种表面等离激元激光器微腔，用于解决现有半导体-金属型纳米线表面等离激元激光器辐射损耗大，品质因数低的问题。

2、本公开实施例提供一种表面等离激元激光器微腔，包括：半导体纳米线、多个金属椭球和半导体基板；其中，多个金属椭球以一维阵列形式排布在半导体基板表面，每个金属椭球半埋设于半导体基板中，半导体纳米线覆盖在多个金属椭球上且包覆每个金属椭球的一部分；其中，特定频率的电磁波在一维阵列形式排布的多个金属椭球的两端无法传播，在一维阵列形式排布的多个金属椭球的中间振荡。

3、根据本公开的实施例，单个金属椭球的短轴长度和两个焦点之间距离的二分之一相等，多个金属椭球的短轴长度相等；沿一维阵列排布方向，多个金属椭球的长轴长度呈现先渐变增大后渐变减小的趋势，两端的金属椭球的长轴长度最小，中间位置的金属椭球的长轴长度最大。

4、根据本公开的实施例，金属椭球的短轴长度为60nm～120nm；中间位置的金属椭球的长轴长度为120nm～300nm；两端的金属椭球的长轴长度为60nm～120nm。

5、根据本公开的实施例，多个金属椭球的数量为10～30个，相邻金属椭球之间的间距为150nm～250nm。

6、根据本公开的实施例，金属椭球的金属晶体类型为单晶金属，单晶金属包括金、银、铜、铝、镍中的其中之一。

7、根据本公开的实施例，单晶金属的粗糙度低至0.8nm。

8、根据本公开的实施例，半导体纳米线与半导体基板直接接触，相互之间无间隙。

9、根据本公开的实施例，半导体纳米线为沿垂直于半导体基板的截面为正方形的长波导结构，正方形的边长为100nm～140nm。

10、根据本公开的实施例，半导体纳米线的长度大于一维阵列排布的多个金属椭球的长度，半导体纳米线的长度为1500nm～7500nm。

11、根据本公开的实施例，半导体纳米线的材料包括杂化有机-无机钙钛矿材料或半导体增益材料。

12、根据本公开实施例提供的表面等离激元激光器微腔，至少包括以下有益效果：

13、该微腔通过设置一维阵列排布的多个金属椭球，半导体纳米线覆盖在多个金属椭球上且包覆每个金属椭球的一部分，由于一维金属光子晶体的能带特性，特定频率的电磁波在一维阵列形式排布的多个金属椭球的两端无法传播，在一维阵列形式排布的多个金属椭球的中间振荡，从而有效地减少辐射损耗，提升了品质因素，能够提高5-7倍。

14、该微腔依据光子带隙结构的相关原理，金属椭球的尺寸以及阵列的间距决定了金属光子晶体所支持的模式频率，能够实现选模，以实现单模激射。

15、该微腔能够突破衍射极限的限制，可以更好地实现激光器的小型化。

技术特征：

1.一种表面等离激元激光器微腔，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，单个金属椭球(2)的短轴长度和两个焦点之间距离的二分之一相等，多个金属椭球(2)的短轴长度相等；

3.根据权利要求2所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述金属椭球(2)的短轴长度为60nm～120nm；中间位置的金属椭球(2)的长轴长度为120nm～300nm；两端的金属椭球(2)的长轴长度为60nm～120nm。

4.根据权利要求1所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述多个金属椭球(2)的数量为10～30个，相邻金属椭球(2)之间的间距为150nm～250nm。

5.根据权利要求1所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述金属椭球(2)的金属晶体类型为单晶金属，所述单晶金属包括金、银、铜、铝、镍中的其中之一。

6.根据权利要求5所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述单晶金属的粗糙度低至0.8nm。

7.根据权利要求1所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述半导体纳米线(1)与所述半导体基板(3)直接接触，相互之间无间隙。

8.根据权利要求1所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述半导体纳米线(1)为沿垂直于所述半导体基板(3)的截面为正方形的长波导结构，所述正方形的边长为100nm～140nm。

9.根据权利要求1所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述半导体纳米线(1)的长度大于所述一维阵列排布的多个金属椭球(2)的长度，所述半导体纳米线(1)的长度为1500nm～7500nm。

10.据权利要求1所述的表面等离激元激光器微腔，其特征在于，所述半导体纳米线(1)的材料包括杂化有机-无机钙钛矿材料或半导体增益材料。

技术总结
本公开提供一种表面等离激元激光器微腔，包括：半导体纳米线、多个金属椭球和半导体基板；其中，多个金属椭球以一维阵列形式排布在半导体基板表面，每个金属椭球半埋设于半导体基板中，半导体纳米线覆盖在多个金属椭球上且包覆每个金属椭球的一部分；其中，特定频率的电磁波在一维阵列形式排布的多个金属椭球的两端无法传播，在一维阵列形式排布的多个金属椭球的中间振荡。该表面等离激元激光器能够实现选模，具有低损耗，高品质因子等综合性能。

技术研发人员：彭轩然,刘晶,康亚茹,李兆峰,颜伟,刘孔,王晓晖,毛旭,杨富华
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13