本發(fā)明屬于微納光子和激光技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)等離子體激光器。

背景技術(shù)：

在過去的幾十年中，激光科學(xué)在制造更高、更快、更小的相干光源上取得了巨大成功。與電子器件類似，光子器件的小型化和集成化有廣闊的應(yīng)用前景。超小型激光可應(yīng)用于化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，如化學(xué)物質(zhì)的高靈敏度檢測、高靈敏度小體積的生物傳感器、顯微術(shù)以及激光手術(shù)等。此外，超小型激光在全光計算、光存儲以及納米分析等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

基于傳統(tǒng)介質(zhì)材料的激光諧振腔受到衍射極限的限制，其光斑尺寸無法小于光波長的一半。這個長期存在的障礙可以通過表面等離子體技術(shù)解決。表面等離子體激元是一種電子疏密振蕩波，它以十分緊湊的形式將光能以電子振蕩的形式存儲在金屬和介質(zhì)交界面處，當(dāng)介質(zhì)的光學(xué)增益可以補(bǔ)償耗散損耗時，就可以實現(xiàn)激光。這種新型的緊湊型相干光源被稱為表面等離子體激光。利用表面等離子體激元可以對納米量級的光源進(jìn)行設(shè)計，通過操控Purcell區(qū)域的腔量子電動力學(xué)，能顯著提高其自發(fā)輻射率從而大幅度降低激光閾值。這些獨特的能力使得表面等離子體激光在過去幾年引起了廣泛的關(guān)注，并取得了很多重要的進(jìn)展。

2012年，中國臺灣清華大學(xué)物理系Shangjr Gwo小組和美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Chih-Kang Shih小組利用外延銀膜和一個增益介質(zhì)為外層有外延氮化鎵的氮化銦鎵納米棒組成表面等離子體諧振腔成功演示了連續(xù)型表面等離子體激光(Science.337,p450-453,2012)。實驗中所用的外延銀膜達(dá)到原子級平滑從而顯著地降低了損耗。但由于缺乏有效的腔反饋并且增益介質(zhì)氮化銦鎵量子效率低，俄歇損耗（是指電子和空穴復(fù)合后發(fā)射電子來釋放能量，對于產(chǎn)生激光來說就是損耗）高，該表面等離子體激光仍然必須工作在液氮條件下，以獲得足夠的增益從而產(chǎn)生激光。

另外，公告號為CN 102957086A(一種深亞波長等離子體激光器)的專利中，所發(fā)明的激光器包括基底層、金屬薄膜層、絕緣介質(zhì)層以及在該絕緣介質(zhì)層中開設(shè)的空氣槽，納米線嵌于空氣槽上口部且其下柱面與槽底的金屬薄膜之間還有一含有空氣的間隙，并在空氣間隙中產(chǎn)生激光。雖然利用空氣間隙可提高場強(qiáng)效應(yīng)，但該激光器同樣缺乏有效的腔反饋并且存在半導(dǎo)增益介質(zhì)量子效率低，俄歇損耗高的問題，因此需要更高的能量的泵浦激光或者在低溫（采用液態(tài)氮冷卻）下工作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何解決背景技術(shù)中的問題，提供一種具有有效腔反饋、閾值低且波長可調(diào)的室溫鹵化物鈣鈦礦等離子體激光器。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種鹵化鉛鈣鈦礦等離子體激光器，其特征在于：包括鹵化鉛鈣鈦礦納米片、絕緣介質(zhì)層、金屬基底，鹵化鉛鈣鈦礦納米片為形狀規(guī)則的正多邊形結(jié)構(gòu)，位于金屬基底的上方，在鹵化鉛鈣鈦礦納米片與金屬基底之間有絕緣介質(zhì)層，絕緣介質(zhì)層與鹵化鉛鈣鈦礦納米片的折射率之比小于0.75。所述鹵化鉛鈣鈦礦納米片厚度為20-300納米，橫截面形狀為正三角形或正六邊形，邊長為5-50微米。金屬基底為100納米，其材質(zhì)銀或者鋁。所述絕緣介質(zhì)層的材料為二氧化硅或氟化鎂中的一種，絕緣層厚度為5-10納米。所述鹵化鉛鈣鈦礦納米片材質(zhì)為鹵化鉛鈣鈦礦，化學(xué)式為CH₃NH₃PbX₃(X=I,Br,Cl)，鹵族元素為I、Br、Cl中的一種。首先在基片上蒸鍍金屬薄膜（金屬基底）及其上加載的超薄絕緣介質(zhì)層，以獲得較高表面質(zhì)量的金屬/介質(zhì)復(fù)合膜，然后將增益介質(zhì)鹵化鉛鈣鈦礦納米片轉(zhuǎn)移到復(fù)合膜上方，形成一種納米片/絕緣介質(zhì)層/金屬薄膜的結(jié)構(gòu)。所述基片材料為硅或藍(lán)寶石。

本發(fā)明的有益效果是：在鈣鈦礦納米片和金屬基底之間采用厚度為納米量級的絕緣介質(zhì)層作為中間層可以將激光集中到一個光斑衍射極限還要小100倍的極小區(qū)域。通過中間層將表面等離子體模式和波導(dǎo)模式耦合起來，能量將會存儲在非金屬區(qū)域從而使損耗顯著降低。鹵化鉛鈣鈦礦的量子產(chǎn)率高達(dá)17%，受激輻射十分高效。因此所述鹵化鉛鈣鈦礦納米片等離子體激光器服了現(xiàn)有半導(dǎo)體納米線表面等離子體激光的量子產(chǎn)率低，俄歇損耗高，腔反饋低的缺陷，可以實現(xiàn)低閾值小型化集成化的激光。鹵化鉛鈣鈦礦載流子壽命長達(dá)101-2 ns、擴(kuò)散長度長達(dá)微米量級、高熒光產(chǎn)率等優(yōu)點在室溫下就可以為表面等離子體激光提供足夠的增益，本發(fā)明為首次將鹵化物鈣鈦礦應(yīng)用于等離子體激光器中。結(jié)合了表面等離子體激光與新型鈣鈦礦激光二者的優(yōu)點，研制出一種以鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)為增益介質(zhì)的表面等離子體激光器。此激光器具有有效的腔反饋可以使激光閾值顯著降低。

3.利用鹵化物鈣鈦礦取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的納米結(jié)構(gòu)作為增益介質(zhì)產(chǎn)生激光，使激光所需要的載流子密度閾值低，另外通過調(diào)節(jié)鹵化物鈣鈦礦納米結(jié)構(gòu)的合成材料可調(diào)諧激光器的波長，并且鹵化物鈣鈦礦納米片邊緣長度及厚度可調(diào)。以鹵化鉛鈣鈦礦納米片/絕緣介質(zhì)/金屬形式的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)可以激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)腔共振模式，將光局域在深亞波長區(qū)域從而利用Purcell效應(yīng)進(jìn)一步降低激光閾值實現(xiàn)一種全新的低閾值超小型激光器，為納米激光技術(shù)的發(fā)展做出推動，促進(jìn)超級計算機(jī)芯片、高敏感度生物傳感器、疾病的治療與研究以及下一代通信技術(shù)等多個領(lǐng)域向前發(fā)展。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的鹵化鉛鈣鈦礦等離子體激光器的實體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的鹵化鉛鈣鈦礦等離子體激光器的剖面圖；

圖中：1. 鹵化鉛鈣鈦礦納米片，2.絕緣介質(zhì)層，3. 金屬基底。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施做出進(jìn)一步的說明。

實施例1：

在一塊表面平整的硅基片上蒸鍍厚度為100納米的銀，然后在銀表面蒸鍍厚度為5納米的二氧化硅，形成銀/二氧化硅復(fù)合膜；制作碘化鉛鈣鈦礦納米片CH₃NH₃PbI₃，其中，碘化鉛鈣鈦礦納米片厚度為150納米，橫截面形狀為正六邊形，正六邊形邊長為32微米，然后把碘化鉛鈣鈦礦納米片移動到銀/二氧化硅復(fù)合膜上，形成銀/二氧化硅/碘化鉛鈣鈦礦納米片結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)中，銀的折射率為0.14+5.14i，厚度為100納米的銀，二氧化硅的折射率為1.45，厚度為5 納米，碘化鉛鈣鈦礦納米片的折射率為2.54+0.03i，厚度為150 納米，橫截面形狀為正六邊形，正六邊形邊長為32微米。本發(fā)明結(jié)果能夠激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)腔共振模式，將光局域在深亞波長區(qū)域從而利用Purcell效應(yīng)進(jìn)一步降低激光閾值實現(xiàn)一種全新的低閾值超小型激光器，為納米激光技術(shù)的發(fā)展做出推動，促進(jìn)超級計算機(jī)芯片、高敏感度生物傳感器、疾病的治療與研究以及下一代通信技術(shù)等多個領(lǐng)域向前發(fā)展。

實施例2：

在一塊表面平整的硅基片上蒸鍍厚度為100納米的銀，然后在銀表面蒸鍍厚度為10納米的二氧化硅，形成銀/二氧化硅復(fù)合膜；制作溴化鉛鈣鈦礦納米片CH₃NH₃PbBr₃，其中，溴化鉛鈣鈦礦納米片厚度為50納米，橫截面形狀為正六邊形，正六邊形邊長為32微米，然后把溴化鉛鈣鈦礦納米片移動到銀/二氧化硅復(fù)合膜上，形成銀/二氧化硅/溴化鉛鈣鈦礦納米片結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)中，銀的折射率為0.14+5.14i，厚度為100納米的銀，二氧化硅的折射率為1.45，厚度為10 納米，溴化鉛鈣鈦礦納米片的折射率為2.86+0.04i，厚度為50納米，橫截面形狀為正六邊形，正六邊形邊長為32微米。本發(fā)明結(jié)果能夠激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)腔共振模式，將光局域在深亞波長區(qū)域從而利用Purcell效應(yīng)進(jìn)一步降低激光閾值實現(xiàn)一種全新的低閾值超小型激光器，為納米激光技術(shù)的發(fā)展做出推動，促進(jìn)超級計算機(jī)芯片、高敏感度生物傳感器、疾病的治療與研究以及下一代通信技術(shù)等多個領(lǐng)域向前發(fā)展。

實施例3：

在一塊表面平整的藍(lán)寶石上蒸鍍厚度為100納米的鋁，然后在銀表面蒸鍍厚度為8納米的氟化鎂，形成鋁/氟化鎂復(fù)合膜；制作氯化鉛鈣鈦礦納米片CH₃NH₃PbCl₃，其中，氯化鉛鈣鈦礦納米片厚度為200納米，橫截面形狀為正三邊形，正三邊形邊長為48微米，然后把溴化鉛鈣鈦礦納米片移動到鋁/氟化鎂復(fù)合膜上，形成鋁/氟化鎂/氯化鉛鈣鈦礦納米片結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)中，鋁的折射率為1.48+3.14i，厚度為100納米，氟化鎂的折射率為1.38，厚度為8納米，氯化鉛鈣鈦礦納米片的折射率為3.06+0.04i，厚度為200納米，橫截面形狀為正三邊形，正三邊形邊長為48微米。本發(fā)明結(jié)果能夠激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)腔共振模式，將光局域在深亞波長區(qū)域從而利用Purcell效應(yīng)進(jìn)一步降低激光閾值實現(xiàn)一種全新的低閾值超小型激光器，為納米激光技術(shù)的發(fā)展做出推動，促進(jìn)超級計算機(jī)芯片、高敏感度生物傳感器、疾病的治療與研究以及下一代通信技術(shù)等多個領(lǐng)域向前發(fā)展。