[发明专利]一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料

说明书

本发明属于微纳光学领域，具体公开了一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料，光学材料由基底、增益介质及周期性排列的二维石墨烯阵列组成，其中石墨烯单元包括一个π型石墨烯谐振器和一个空心矩形石墨烯谐振器，本发明结构简单，可操作性强，结构在增益介质的辅助作用下，极大地补偿了系统的固有损耗，共振强度被数量级放大，实现了低阈值的受激辐射，并且可以通过调节增益系数实现双波长的选择性激发，此外，通过调节入射光极化角度可以实现强度可调谐的激光现象，本发明为可调谐双波长等离子体纳米激光器的设计开辟了全新的技术途径。

技术领域

本发明属于微纳光学技术领域，尤其涉及一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料。

背景技术

光与金属表面中的自由电子相互作用可产生电磁波振荡，形成表面等离子体共振，从而导致材料周围光场高度集中，局域电场大幅度增强，进而克服光学衍射极限，石墨烯是由碳原子以sp²杂化轨道组成的二维蜂巢晶格型碳纳米材料，其表面可产生等离激元，具有典型的金属特性，此外，其具有优越的电磁特性，石墨烯等离子体器件在微纳光学以及材料科学领域具有重要的应用前景。

随着科学技术的快速发展，等离子纳米激光器在科学研究、生物医学、电子信息等领域应用十分广泛，传统激光器由于无法突破衍射极限，其空间尺寸受限于波长量级，无法满足集成度更高的组件要求，严重限制了激光器在各个领域的发展和应用，基于表面等离激元光子学和电磁辐射等理论基础，利用超材料的亚波长尺度近场光学效应，可以有效突破衍射极限并且实现局域电磁场的数量级增强，基于表面等离激元的纳米激光器，可实现亚波长及纳米级的激光发射，其小型化以及高度集成的特性是目前激光器微型化最有效的改善方法之一，通常情况下，表面等离激元需要通过金属超材料的激发获得，而金属较高的本征损耗导致激光器的高阈值特性，因此，可以在结构中引入增益介质补偿结构的能量损耗，并且电场能量实现显著增强，突破衍射极限；2009年，Noginov等人制备了金芯和掺杂增益介质的二氧化硅外壳组成的结构，在泵浦光的作用下，增益介质完全补偿了系统的本征损耗，首次在实验上实现了等离子体激光器，2013年，Zhou等人在实验上通过固体增益材料与金属纳米粒子阵列的组合结构实现了等离子体激光的定向发射，2019年，Fernandez-Bravo等人基于银纳米阵列的超材料结构，实现了亚波长的低阈值等离激元纳米激光器，基于超材料的表面等离激元特性，可以设计出体积小、定向耦合输出效率高的纳米激光结构，这对于研究更加集成化，以及光束耦合效率高的激光器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调谐双波长等离子体纳米激光器及其光学材料，将石墨烯超材料与增益介质相结合并进行周期性排列，石墨烯层为二维单层平面结构，不涉及到结构堆叠等复杂结构，结构简单且可操作性强，适合大规模批量制备，制备精度高。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种实现可调谐双波长等离子体纳米激光器的光学材料，包括基底，排列在基底之上的增益介质，还包括周期性排列在增益介质之上并形成二维阵列的石墨烯结构单元，所述石墨烯结构单元包括一个π型石墨烯谐振器和一个空心矩形石墨烯谐振器。

进一步的，所述结构单元在基底上沿x轴及y轴的排列周期分别为P_x＝400nm,P_y＝280nm,其中，空心矩形石墨烯谐振器谐振腔外部的长度和宽度分别为l₁＝180nm，w₁＝80nm，谐振腔内部的长度和宽度分别是l₂＝100nm，w₂＝30nm；π型石墨烯谐振器的长臂是一条连续的条带，沿着x轴方向连续排列，两个短臂的长度和宽度分别为l₃＝30nm,w₃＝30nm，π型石墨烯谐振器和空心矩形石墨烯谐振器之间的耦合距离为s＝60nm。

进一步的，所述石墨烯结构单元所用材料是厚度为1nm的石墨烯。