表面等离激元激光器微腔

1.本公开涉及激光领域和微纳系统技术领域，尤其涉及一种表面等离激元激光器微腔。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.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。
11.根据本公开的实施例，单晶金属的粗糙度低至0.8nm。
12.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。
13.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。
14.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。
15.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。
16.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：
17.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。
18.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。
19.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。
附图说明
20.图1示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的结构图。
21.图2示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的正视结构图。
22.图3示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的侧视结构图。
23.图4示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的俯视结构图。
24.图5示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的电场分布与电场线图。
25.图6示意性示出了本公开实施例提供的表面等离激元激光器微腔和传统金属基底的纳米线激光器微腔分别对应的微腔内能量相对强度与波长关系对比图。
具体实施方式
26.为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
27.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在
或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
28.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
29.在本公开的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。
30.贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
31.类似地，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。
32.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
33.图1示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的结构图。
34.如图1所示，该表面等离激元激光器微腔包括：半导体纳米线1、多个金属椭球2和半导体基板3。
35.多个金属椭球2以一维阵列形式排布在半导体基板3表面，每个金属椭球2半埋设于半导体基板3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。
36.图2示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的正视结构图。
37.图3示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的侧视结构图。
38.图4示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的俯视结构图。
39.如图2至图4所示，在本公开的实施例中，单个金属椭球2的短轴长度a和两个焦点之间距离的二分之一c相等，多个金属椭球2的短轴长度a相等。
40.沿一维阵列排布方向，多个金属椭球2的长轴长度b呈现先渐变增大后渐变减小的趋势，阵列排布的金属椭球2相对于一维阵列中点具有对称性，两端的金属椭球2的长轴长度最小。记为b
min
，中间位置的金属椭球2的长轴长度最大b
max
。
41.进一步地，金属椭球2的短轴长度a为60nm～120nm。中间位置的金属椭球2的长轴长度b
max
为120nm～300nm。两端的金属椭球2的长轴长度b
min
为60nm～120nm。
42.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d为150nm～250nm。
43.在本公开的实施例中，金属椭球2的金属晶体类型为单晶金属，单晶金属可以包括金、银、铜、铝、镍中的其中之一。单晶金属表面无晶粒边界，光洁度高，粗糙度低，达到0.8nm，有效降低损耗。
44.在本公开的实施例中，半导体纳米线1覆盖在各个金属椭球2上，包裹各个金属椭球2，且半导体纳米线1与半导体基板3之间没有空隙。半导体纳米线1不能完全覆盖金属椭球2，每个金属椭球2有一部分与空气相接触。
45.进一步地，半导体纳米线1可以为沿垂直于半导体基板3的截面为正方形的长波导结构。优选地，正方形的边长w为100nm～140nm。
46.半导体纳米线1的长度l大于一维阵列排布的多个金属椭球2的长度，半导体纳米线1的长度为1500nm～7500nm。
47.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，半导体增益材料例如可以为砷化镓，激光晶体等。半导体基板3可以采用sio2，也可以采用其他常用介质衬底材料。
48.根据本公开的实施例，依据光子带隙结构的相关原理，金属椭球2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，位于金属光子晶体能带的带隙范围内的频率的电磁波无法在金属光子晶体中传播。通过调节金属椭球的尺寸，使得特定频率的电磁波在一维阵列的两端无法传播，只能在阵列的中间震荡，这样就使得模式分布主要位于阵列中间。利用该原理，本公开提出的激光器微腔结构可以有效减少辐射损耗，提升q值。
49.根据本公开的实施例，表面等离激元激光器微腔使用半导体纳米线作为增益介质，覆盖在金属椭球阵列上。半导体纳米线的尺寸也会影响微腔所支持的模式，因此需要针对激光器工作的波长范围进行结构设计，具体的，激光器工作波长在可见光与红外波段，激光器泵浦方式为光泵浦，所述激光器微腔上方和下方均为空气。该激光器工作中，作为增益介质的半导体纳米线在泵浦光的作用下产生激子，激子把能量传递给等离激元模式，等离激元模式在激光器微腔中震荡，实现激射。本公开提出的尺寸渐变的金属椭球阵列结构有效降低了辐射损耗，提升了q值。该结构通过尺寸设计可以控制激光器微腔支持的模式频率，达到选模的效果，从而实现单模激射。同时本公开提出的表面等离激元激光器的也具有突破衍射极限的模式体积，具有较快的响应速度，低激发阈值等优点，其对于推动纳米尺度光科学的发展及高性能光电元件集成化具有重要意义。
50.为了进一步阐述本公开实施提供的表面等离激元激光器微腔的特点。下面列举具体的实验数据进行说明。
51.例如，激光器工作波长在500nm-600nm波长范围。半导体纳米线1的材料为ch3nh3pbbr3钙钛矿材料，它有较高的激子束缚能，可以提供较大的增益。在实施过程中，钙钛矿材料在550nm处的折射率为2.2，纳米线裸露在空气中，空气折射率为1，半导体纳米线1
与一维阵列排布的金属椭球2直接接触产生表面等离激元。半导体纳米线1整体外形呈长方体状，其长度达2.5微米，横截面为正方形，横截面边长为130nm。
52.由于金属银在500nm-600nm波长范围内相对其他常见金属具有较低的金属损耗，因此金属椭球2选用单晶银材料。金属椭球的a和c的取值均为70nm。金属椭球以一维阵列的形式排布，金属椭球的b随阵列渐变，在阵列两端处最小，取值为200nm，在阵列中点处最大，取值为250nm。阵列排布的金属椭球2的总数量为12个。
53.图5示意性示出了本公开实施例提供的金属椭球一维阵列表面等离激元激光器微腔的电场分布与电场线图。
54.图6示意性示出了本公开实施例提供的表面等离激元激光器微腔和传统金属基底的纳米线激光器微腔分别对应的微腔内能量相对强度与波长关系对比图。
55.如图5和图6所示，该表面等离激元激光器微腔支持的模式频率在548nm-553nm，相比于传统结构，即金属基底上放置半导体纳米线的结构，该结构的q值有效提升了6倍，并且具有更好的频率选择性，进一步促进了表面等离激元激光器的研究。
56.综上所述，本公开实施例提供的表面等离激元激光器微腔，借助于等离激元特性，在物理尺寸和模式尺寸都小于半波长的情况下，实现等离激元激光器的基本功能。利用光子带隙结构的能带特性，通过设计金属椭球阵列的尺寸变化，使得所支持的模式的电磁场主要分布在阵列中间，特定波长的电磁波无法在金属椭球阵列的两端传播。金属椭球以及纳米的尺寸经过设计，能够与500nm-600nm波长相匹配。该表面等离激元激光器微腔的辐射损耗显著降低，使得谐振腔的品质因数得到了较高的提升，该有效提升品质因数的表面等离激元激光器微腔具有微型化、高品质因数等优点，具有广阔的应用前景。
57.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

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：半导体纳米线(1)、多个金属椭球(2)和半导体基板(3)；其中，所述多个金属椭球(2)以一维阵列形式排布在所述半导体基板(3)表面，每个金属椭球(2)半埋设于所述半导体基板(3)中，所述半导体纳米线(1)覆盖在所述多个金属椭球(2)上且包覆每个金属椭球(2)的一部分；其中，特定频率的电磁波在一维阵列形式排布的所述多个金属椭球(2)的两端无法传播，在一维阵列形式排布的所述多个金属椭球(2)的中间振荡。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；沿一维阵列排布方向，多个金属椭球(2)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(2)的长轴长度最小，中间位置的金属椭球(2)的长轴长度最大。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。高品质因子等综合性能。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：2023.05.08
技术公布日：2023/7/27