一種基于表面等離子體的微納集成激光推進裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1]發(fā)明屬于等離子體光學和光學納米材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星推進系統(tǒng)的作用是為衛(wèi)星軌道轉(zhuǎn)移、位置保持提供所需要的推力，為姿態(tài)控制提供所需的力矩，是航天器最重要的分系統(tǒng)之一。不同的能量來源和轉(zhuǎn)換方式，決定了不同的推進方式，主要有化學推進、冷氣推進、電推進、核推進、量轉(zhuǎn)換推進和無工質(zhì)推進等。但傳統(tǒng)衛(wèi)星一直存在的尺寸大，發(fā)射所需能耗高，壽命短等缺點沒有從根本解決。
[0003]由于自21世紀起，由于世界科技，軍事的重大變革。人們將注意力都投向能耗更小，壽命更長的納米科技領(lǐng)域，自然而然對微納尺寸的衛(wèi)星也逐步深入，對于微納皮衛(wèi)星而言由于其尺寸極小所以其動力和運行姿態(tài)調(diào)整成為一個急需解決的問題。在這些年的研究之中，各種不同形貌的納米線激光器結(jié)構(gòu)被接連制備出來，同時它們的光學、電學、磁學、催化等特性也被人們一一揭示。然而這些極小的納米激光器如何將光直接轉(zhuǎn)化為力一直成為大家難以解決的問題。
[0004]在另一研究領(lǐng)域，光對物質(zhì)的作用力也成為研究熱點，其中最典型的就是光鑷，光鑷是利用光的動量與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生光勢阱效應(yīng)，已成為微納米微粒操控重要工具。但光鑷通常需要一個能夠提供很大光能量密度的光源。而對于納米線激光器而言，其不能夠提供如此大的光能量密度。所以我們需要尋找一個只需要很小的光源便能夠提供較大光能量梯度分布的結(jié)構(gòu)。
[0005]非對稱納米天線結(jié)構(gòu)憑借其亞波長尺寸，當光照射時其可以產(chǎn)生表面等離子體耦合增強效應(yīng)。所以我們設(shè)計了一種非對稱結(jié)構(gòu)的納米天線，當光照射這種納米天線時由于其非對稱性，其產(chǎn)生的光場分布不均勻，從而產(chǎn)生一個較大的梯度力場。在光場強度最大的地方形成一個光勢阱效應(yīng)，這樣能夠?qū)ζ渌麉^(qū)域形成一個較強的梯度力來驅(qū)動結(jié)構(gòu)軌道內(nèi)部的物質(zhì)，從而對系統(tǒng)本身提供一個反推力。為微納衛(wèi)星推進以及姿態(tài)調(diào)整提供了全新的技術(shù)途徑。
[0006]在“Plasmonic Force Space Propuls1n(等離子體空間推進)”(美國密蘇里科技大學的楊曉東課題組2015年發(fā)表于《Journal Of Spacecraft And Rockets》第2015，Vol.52，No4)—文中設(shè)計了一種基于納米天線的等離子體推進器結(jié)構(gòu)，其方案是將太陽光聚焦后照射在納米天線結(jié)構(gòu)上，從而在納米天線結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生一個梯度力場。單元結(jié)構(gòu)所獲得的推力預(yù)計在fN量級。不僅如此他還將這些納米結(jié)構(gòu)設(shè)計為多級多層推進結(jié)構(gòu)，從而預(yù)計獲得一個最大為250nN的推力。然而這種結(jié)構(gòu)外部需要一個體積較大的太陽能電池板以及太陽能聚焦系統(tǒng)，這樣不利于微納衛(wèi)星的小型化與集成化，其所產(chǎn)生的推力也不足以將連帶太陽光電池板聚焦系統(tǒng)在內(nèi)的微納衛(wèi)星推動。況且這種多層的納米結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有的制備技術(shù)下很難制備。
[0007]在“Electrically pumped waveguide lasing from ZnO nanowires(氧化鋅納米線的電栗浦光波導(dǎo))”(美國加州大學的劉建林課題組2011年發(fā)表于《Nature.Nanotechnol》第2011,6:506-510)—文中設(shè)計并制作出了氧化鋅半導(dǎo)體納米激光器，同時對器件進行了光栗浦發(fā)光測試和電栗浦發(fā)光測試，室溫下光栗浦下的激射光譜圖(46-403kW/cm2)，電栗浦穩(wěn)定發(fā)光時的電流閾值為50mA。但是，這種納米激光器發(fā)出的光能量密度很小，很難實現(xiàn)器件應(yīng)用，文中也沒有提到如何使這種納米激光器實現(xiàn)力推進。
[0008]在公告號為CN 101882752B的專利文件中公開了《一種表面等離子體納米激光器》，該激光器是在襯底上鍍一層金屬膜，增益介質(zhì)納米線位于金屬膜側(cè)面邊緣，其軸線與金屬膜邊緣平行且留一個空氣間隙來產(chǎn)生激光;但是這種結(jié)構(gòu)需要微操作將納米線放置于特定位置，其操作難度大，要求精度高。再者這種結(jié)構(gòu)不是大陣列納米線發(fā)光，其不能產(chǎn)生一個具有較強光能量密度的激光源。這樣很不利于器件集成以及實用化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是針對納米線激光器難以實現(xiàn)力推進以及等離子體納米天線推進器對光源結(jié)構(gòu)尺寸的要求而發(fā)明的一種基于表面等離子體的微納集成激光推進系統(tǒng)。這個系統(tǒng)不僅能夠通過微納尺寸的納米激光器提供穩(wěn)定光源，并且可以通過微納軌道結(jié)構(gòu)將光直接轉(zhuǎn)化為固定方向的推動力，這種設(shè)計可以應(yīng)用于皮衛(wèi)星推進及姿態(tài)調(diào)整。
[0010]本發(fā)明的解決方案是將納米激光器和納米軌道等離子體推進器密封于真空環(huán)境中，通過給納米激光器通電栗浦出固定波長激光垂直入射到納米天線推進器陣列上，從而在納米軌道陣列軌道上產(chǎn)生一個垂直于入射光的力，驅(qū)使軌道上的納米可以加速射出軌道，從而對整個集成系統(tǒng)產(chǎn)生一個反向的推力。
[0011]本發(fā)明一種基于表面等離子體的微納集成激光推進裝置，包括:納米激光器、納米軌道陣列等離子體推進器;其中納米激光器包括:襯底，納米線陣列，導(dǎo)電介質(zhì)層，金屬電極，連通線;其中在納米線陣列生長在襯底上，納米線陣列頂部覆蓋一層導(dǎo)電介質(zhì)，并在襯底上設(shè)置金屬電極，通過導(dǎo)電線連通金屬電極與導(dǎo)電介質(zhì)；納米軌道陣列等離子體推進器包括:襯底，金屬納米軌道槽，納米小球;其中金屬納米軌道槽是由兩條平行設(shè)置于襯底上的納米天線形成的槽形結(jié)構(gòu)，形成每條軌道槽的納米天線外側(cè)為鋸齒形，且每一個齒相同側(cè)的腰垂直于其軌道方向；納米小球置于納米軌道槽中或軌道槽上。
[0012]當納米激光器電栗浦激發(fā)激光照射在納米天線陣列上后產(chǎn)生一個垂直于光入射方向的光梯度力，從而推進納米小球射出，形成反向推力。
[0〇13] 進一步的，納米線直徑為50-500nm，材料為氧化鋅、硫化鎘、氮化鎵、鋪化鎵、硒化鎘或硫化鋅。
[0014]進一