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CN115425516A - 一种表面等离激元激光器及其制备方法 - Google Patents

一种表面等离激元激光器及其制备方法 Download PDF

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CN115425516A CN202211062027.4A CN202211062027A CN115425516A CN 115425516 A CN115425516 A CN 115425516A CN 202211062027 A CN202211062027 A CN 202211062027A CN 115425516 A CN115425516 A CN 115425516A
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李晨阳
王其发
侯莉萍
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Northwestern Polytechnical University
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Abstract

本发明属于表面等离激元纳米激光领域，具体涉及一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，所述激光器包括单晶的银纳米线对、增益介质以及超光滑金属膜，超光滑金属膜上设有隔离层，增益介质设置于隔离层上，单晶的银纳米线对分别设置于增益介质的两侧，使得银纳米线对和超光滑金膜构成复合结构的表面等离激元共振腔，提供强电场束缚以及定向散射特性。本发明提出的表面等离激元激光器，制备流程简单、易于操作，能够将泵浦光有效地转化为表面等离激元，并将其很好的束缚在共振腔内，实现了激光的高效激发，获得了超低的激发阈值，更加适用于微纳片上光学集成；借助表面等离激元共振腔的散射定向性，可改善等离激元激光器的方向性差的问题。本发明拓展了表面等离激元激光器在集成光学领域上的应用。

Description

一种表面等离激元激光器及其制备方法
技术领域
本发明属于表面等离激元纳米激光领域，具体涉及一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的新型表面等离激元激光器及其制备方法。
背景技术
激光是受激辐射的光放大，具有高强度、高度方向性和单色性的优点。自从1960年第一台激光器问世以来，激光器已经在科学研究和日常生活的各领域发挥了至关重要的作用。在过去几十年中，随着激光技术的快速发展，以及对激光应用需求的日益增长，人们着力于开发峰值功率更高、脉冲持续时间更短、腔尺寸更小和光谱范围更广的激光器。其中，为了不断实现激光器的小型化、微型化，大量研究人员设计制备了：异质结构、量子阱、垂直腔面发射激光器、微盘、光子晶体等一系列复杂的结构，在通过缩小的腔尺寸将激光器从宏观尺度缩小到波长水平方面取得了巨大成功。然而，腔尺寸本质上受到光学衍射极限的限制，如何突破衍射极限，进一步将激光器的模式体积突破到亚波长、深亚波长尺度，已然成为当下集成芯片领域的研究热点。
表面等离激元(SPPs)是电磁场与金属表面自由电子相互作用而形成的电磁模，它能够将电磁波约束在亚波长尺度，进而突破光的衍射极限，使得基于表面等离激元的微纳光学器件能够在亚波长尺度下控制光信息的传输与处理，进而为发展全光集成的纳米光学器件提供了强有力的平台。2003年，伯格曼和斯托克曼提出：利用等离激元共振腔，实现表面等离激元受激辐射放大(SPASER)的概念，该腔的尺寸会缩小到远低于光在真空中的衍射极限。等离激元腔中光场的超紧束缚特性，在实现超紧凑腔模式、超快激光调制以及显著提升腔内增益材料的吸收和发射效率等方面起着至关重要的作用，因而可进一步促进激光器前沿技术的发展。
然而，由于表面等离激元的激发需要引入金属，这就意味着激光器具有高损耗的缺点。其中，金属的损耗分为：内部自由电子的散射损耗以及对光子的吸收损耗；金属薄膜表面粗糙度带来的散射损耗。这就导致表面等离激元激光器具有较高的阈值，严重限制了它的实际应用。近二十年来，为了克服表面等离激元激光器高阈值的缺点，研究人员展开了大量的科学研究。但是其中多数以平面等离激元激光器为主，很少有研究者关注更加复杂的低维等离激元激光器的特性。这种差异可能是因为复杂的表面等离激元波导或腔体不仅需要具有较大的晶粒尺寸以及较好的晶粒均匀性，同时需要保证加工出高度精确的几何形状，如楔形、凹槽等结构，以减少因复杂加工引入的散射损耗。然而，凹槽、楔形等复杂的几何形状，通常需要聚焦离子束刻蚀技术等纳米加工工艺。这种方法制备困难、加工成本高，并不可避免的引入表面结构缺陷，进而增大了等离激元激光器的阈值，极大地降低了其应用价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出的新型表面等离激元激光器借助表面等离激元共振腔的电场强束缚特性、散射定向性，可改善等离激元激光器阈值高以及方向性差的问题。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，所述激光器包括单晶的银纳米线对、增益介质以及超光滑金属膜，超光滑金属膜上设有隔离层，增益介质设置于隔离层上，单晶的银纳米线对分别设置于增益介质的两侧，使得银纳米线对和超光滑金属膜构成复合结构的表面等离激元共振腔，提供强电场束缚以及定向散射特性。
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述单晶的银纳米线对是通过微纳操控手臂定向转移组装单根银纳米线制成。
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述增益介质为半导体纳米线或单层二维材料。
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述增益介质为可见到近红外波段的任意半导体材料。
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述增益介质优选为以气-液-固生长机制生长的镓砷/铟镓砷多量子盘纳米线。
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述镓砷/铟镓砷多量子盘纳米线的直径和长度分别为200nm和2μm；
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述增益介质优选为机械法剥离的单层二维材料，所述单层二维材料的厚度为0.8nm，长度和宽度为20×20μm2。
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述超光滑金属膜结合热蒸镀和模板剥离法制成，超光滑金属膜被配置成1μm2范围内Ra＝0.25nm。
作为本发明所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器的优选方案，其中：所述银纳米线的直径和长度分别为100-400nm和10-40μm；超光滑金属膜厚度为50nm，长度和宽度为2×2cm2。
根据本发明的另一个方面，本发明还提供了如下技术方案：
一种表面等离激元激光器的制备方法，具体步骤如下：
S1:使用模板剥离法在SiO2/Si衬底上制备超光滑金属膜；
S2:采用原子层沉积技术在机械剥离的超光滑金属膜上沉积Al2O3隔离层；
S3:将增益介质转移到具有隔离层的超光滑金属膜上；
S4:使用百纳米级钨丝探针将两根银纳米线依次转移到增益介质的两侧，构成含有表面等离激元共振腔的激光器。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明定点转移银纳米线于超光滑金属膜上，该方法相比于聚焦离子束刻蚀、电子束光刻等纳米加工工艺，具有流程简单、易于操作、可控性强、价格低廉、易于推广的特点，并且完全避免了因加工缺陷带来的结构散射损耗。另外，相较于传统的表面等离激元激光器，本发明提出的激光器能够有效地将泵浦光转化为表面等离激元，并将其很好的束缚在共振腔内，实现了激光的高效激发。最终，获得了具有超低阈值(实施例1阈值250W/cm2，实施例2阈值4.3W/cm2)的表面等离激元激光器。
2、本发明采用微纳操控手臂结合自制百纳米级钨丝探针，可以借助百纳米级的钨丝探针，方便灵活的调控共振腔的腔长，与传统的等离激元激光器相比，可以实现腔长的灵活调控，进而与各种尺寸和带隙能的半导体增益材料相集成，实现了在可见到近红外波段发光可调的表面等离激元激光器。
3、本发明提出的新型表面等离激元激光器制备方法及制备的激光器，银纳米线对和超光滑金属膜构成复合结构的表面等离激元共振腔，借助表面等离激元共振腔的散射定向性，可改善等离激元激光器方向性差的问题，本发明所述的表面等离激元共振腔和增益介质材料易于购买且价格低廉，制备可控且操作难度低，制备成本较低，极大地增加了其应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1(a)是本发明单晶银纳米线对-超光滑金属膜构成等离激元共振腔的组装结构实例图；
图1(b)是本发明共振腔散射光谱图；
图2(a)是本发明实施例1所述的新型表面等离激元共振腔用于单层二维材料激光器的结果实例图；
图2(b)是本发明实施例1所述的新型表面等离激元共振腔用于单层二维材料激光器的激光光谱图；
图3(a)是本发明实施例2所述的新型表面等离激元共振腔用于镓砷/铟镓砷半导体纳米线激光器的结果实例图；
图3(b)是本发明实施例2所述的新型表面等离激元共振腔用于镓砷/铟镓砷半导体纳米线激光器的激光光谱图。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
一种表面等离激元激光器的制备方法，具体方法步骤如下：
S1:使用模板剥离法在SiO2/Si衬底上制备超光滑金属膜；
S2:采用原子层沉积技术在机械剥离的超光滑金属膜上沉积Al2O3隔离层；
S3:将增益介质转移到具有隔离层的超光滑金属膜上；
S4:使用百纳米级钨丝探针将两根银纳米线依次转移到增益介质的两侧，构成含有表面等离激元共振腔的激光器。
实施例1
基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，所述激光器具有表面等离激元共振腔，所述激光器包括单晶的银纳米线对、增益介质以及超光滑金属膜，超光滑金属膜上设有隔离层，增益介质设置于隔离层上，单晶的银纳米线对分设于增益介质的两侧。
组成表面等离激元激光器中银纳米线直径和长度分别为100-400nm和10-40μm；增益材料为单层WSe2，厚度和尺寸分别为0.8nm和20×20μm2；金属膜厚度为50nm，材料为金，长度和宽度为2×2cm2。使用以上参数进行表面等离激元激光器的性能研究。
使用自下而上的组装工艺，首先使用模板剥离法制备50nm厚的超光滑金属膜，然后采用原子层沉积技术在机械剥离的单层二维材料上下分别沉积4nm厚的三氧化二铝隔离层，最后使用百纳米级的自制钨丝探针将两根银纳米线依次转移到单层二维材料上，构成含有表面等离激元共振腔的激光器。
将设计的表面等离激元激光器置于4K的低温下进行光学测试。图2(b)中所示，随着泵浦功率的升高，当泵浦功率密度达到250W/cm2时，在宽荧光光谱背景上出现窄线宽的激光峰，体现出激光发射的阈值特性。
实施例2
基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，所述激光器具有表面等离激元共振腔，所述激光器包括单晶的银纳米线对、增益介质以及超光滑金属膜，超光滑金属膜上设有隔离层，增益介质设置于隔离层上，单晶的银纳米线对分设于增益介质的两侧。
组成表面等离激元激光器中银纳米线直径和长度分别为100-400nm和10-40μm；增益材料为镓砷/铟镓砷半导体纳米线，直径和长度分别为200nm和2μm；金属膜厚度为50nm，材料为金，长度和宽度为2×2cm2。使用以上参数进行表面等离激元激光器的性能研究。
使用自下而上的组装工艺，首先使用模板剥离法制备50nm厚的超光滑金属膜，然后采用原子层沉积技术在超光滑金属膜上沉积8nm厚的三氧化二铝隔离层，最后使用百纳米级的自制钨丝探针将镓砷/铟镓砷半导体纳米线和两根银纳米线依次转移到金属膜上，构成含有表面等离激元共振腔的激光器。
按照实施例1所述步骤，将设计的表面等离激元激光器置于4K的低温下进行光学测试。图3中展示了辐射激光的阈值特性以及线宽变窄现象。
本发明提出的表面等离激元激光器相较于聚焦离子束刻蚀、电子束光刻等纳米加工工艺得到的等离激元激光器，制备简单、腔长灵活可调、价格低廉和易于推广，并且克服了其它表面等离激元激光器因金属固有欧姆损耗以及结构散射损耗带来的高阈值现象。本发明提出的等离激元激光器能够将泵浦光转化为表面等离激元，并将其很好的束缚在共振腔内，实现了激光的高效激发，最终实现了具有超低阈值的等离激元激光器。本发明可以借助百纳米级的自制钨丝探针，方便灵活的调控共振腔的腔长，进而与各种尺寸和带隙能的半导体增益材料相集成，实现了在可见到近红外波段发光可调的表面等离激元激光器。本发明提出的新型表面等离激元激光器借助表面等离激元共振腔的散射定向性，可改善等离激元激光器的方向性差的问题。因此，本发明所述方法极大地拓展了表面等离激元激光器在集成光学领域上的应用。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述激光器基于银纳米线对法布里珀罗腔技术，激光器包括单晶的银纳米线对、增益介质以及超光滑金属膜，超光滑金属膜上设有隔离层，增益介质设置于隔离层上，单晶的银纳米线对分别设置于增益介质的两侧，使得银纳米线对和超光滑金膜构成复合结构的表面等离激元共振腔，提供强电场束缚以及定向散射特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述单晶的银纳米线对是通过微纳操控手臂定向转移组装单根银纳米线制成。
3.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述增益介质为半导体纳米线。
4.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述增益介质为可见到近红外波段的任意半导体材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述增益介质为以气-液-固生长机制生长的镓砷/铟镓砷多量子盘纳米线。
6.根据权利要求5所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述镓砷/铟镓砷多量子盘纳米线的直径和长度分别为200nm和2μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述增益介质为机械法剥离的单层二维材料，所述单层二维材料的厚度为0.8nm，长度和宽度为20×20μm2。
8.根据权利要求1所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述超光滑金属膜结合热蒸镀和模板剥离法制成，超光滑金属膜被配置成1μm2范围内Ra＝0.25nm。
9.根据权利要求8所述的一种基于银纳米线对法布里珀罗腔的表面等离激元激光器，其特征在于：所述银纳米线的直径和长度分别为100-400nm和10-40μm；超光滑金属膜厚度为50nm，长度和宽度为2×2cm2。
10.一种制备权利要求1-9任一项所述一种表面等离激元激光器的方法，具体制备方法步骤如下：
S1:使用模板剥离法在SiO2/Si衬底上制备超光滑金属膜；
S2:采用原子层沉积技术在机械剥离的超光滑金属膜上沉积Al2O3隔离层；
S3:将增益介质转移到具有隔离层的超光滑金属膜上；
S4:使用百纳米级钨丝探针将两根银纳米线依次转移到增益介质的两侧，构成含有表面等离激元共振腔的激光器。
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