[发明专利]一种低阈值表面等离子体纳米激光器

说明书

本发明公开了一种低阈值表面等离子体纳米激光器，包括：增益介质纳米线、第一SiO₂层、石墨烯纳米带、第二SiO₂层、金属纳米线以及空气槽，其中：石墨烯纳米带包裹在金属纳米线上；第一SiO₂层、空气槽、第二SiO₂层均设置在石墨烯纳米带上方，且第一SiO₂层和第二SiO₂层对称设置在空气槽的两侧；增益介质纳米线设置在第一SiO₂层和第二SiO₂层的上方，空气槽将增益介质纳米线和石墨烯纳米带间隔开；空气槽与两侧的第一SiO₂层、第二SiO₂层的连接处形成两条棱，增益介质纳米线通过这两条棱分别与第一SiO₂层、第二SiO₂层相连。本发明能量损耗小，可以在室温下实现，阈值更小，动力学过程超快，光波长可调谐，尺寸更小，结构简单，综合性能更优。

技术领域

本发明涉及微纳光子和激光技术领域，尤其涉及一种低阈值表面等离子体纳米激光器。

背景技术

自从20世纪60年代第一台激光器问世以来，激光器和人类的其它重大发明一样，对人类的生产、生活等方面产生了巨大影响。近年来，纳米技术迅速发展，对信息、材料等领域产生了深远的影响，包括激光器在内的光子器件也逐渐趋于微型化、高度集成化。然而受制于衍射极限，在传统的半导体激光器结构中，其空间尺寸和模式尺寸都大于半个波长，激光器的小型化受到了阻碍，严重制约了其与纳米光电器件的集成。

表面等离激元光子学以电磁辐射和传导电子在金属-介质界面或在金属纳米结构中所产生的亚波长尺度近场光学效应为基础，因能有效克服光学衍射极限这一物理瓶颈及实现局域电磁场增强而受到巨大关注。基于表面等离激元的纳米激光器，因其物理尺寸和模式尺寸同时具有远超越衍射极限的能力，被称为世界上最小的激光器，是目前激光器小型化最有效的技术方法之一。然而由于表面等离激元需引入金属来激发，而金属的存在意味着这种激光器具有高损耗的特点。为了尽量降低金属内部产生的损耗，通常选用具有较低内部自由电子散射速率的金属，如金或银，然而即使采用这样的贵金属，在可见及近红外波段内，仍然因为过高的损耗使得表面等离激元激光器无法获得实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：降低金属损耗，平衡传等离子体激元传播损耗和模式场限制之间的矛盾，提供一种能量损耗小、阈值低且可在室温下激发，最高工作温度40℃下的一种低阈值表面等离子体纳米激光器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种低阈值表面等离子体纳米激光器，包括：增益介质纳米线、第一SiO₂层、石墨烯纳米带、第二SiO₂层、金属纳米线以及空气槽，其中：

石墨烯纳米带包裹在金属纳米线上；第一SiO₂层、空气槽、第二SiO₂层均设置在石墨烯纳米带上方，且第一SiO₂层和第二SiO₂层对称设置在空气槽的两侧；增益介质纳米线设置在第一SiO₂层和第二SiO₂层的上方，空气槽将增益介质纳米线和石墨烯纳米带间隔开；空气槽与两侧的第一SiO₂层、第二SiO₂层的连接处形成两条棱，增益介质纳米线通过这两条棱分别与第一SiO₂层、第二SiO₂层相连。

进一步地，本发明的增益介质纳米线的材料为硫化镉、氧化锌、氮化镓、砷化镓、硒化镉、卤化铅钙钛矿中的任意一种。

进一步地，本发明的增益介质纳米线的结构为：通过元素掺杂形成的量子阱结构、超晶格结构或有机-无机杂化钙钛矿结构。