本發(fā)明涉及激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器。

背景技術(shù)：

激光被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，20世紀(jì)六十年代美國人梅曼首先發(fā)明了世界上第一臺紅寶石固體激光器。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展與進(jìn)步，激光器的發(fā)展方向正朝著微型化體積、更快調(diào)制和傳播速度、更大功率、損耗更低等方向飛速發(fā)展。在2003年以前，由于制備工藝的限制和科學(xué)理論的不成熟，激光器的尺寸很難繼續(xù)縮小并突破衍射極限?，F(xiàn)如今微納技術(shù)逐步成熟，隨之而來激光器的空間尺寸再不斷縮小，已經(jīng)步入到微米量級甚至納米量級的時(shí)代。但是由于傳統(tǒng)激光器采用的是光學(xué)反饋系統(tǒng)，所以衍射極限一直是其難以突破的瓶頸。器件諧振腔長尺寸則至少是其入射波長的一半，也就是說微型化和集成化很難實(shí)現(xiàn)。

表面等離子體也因其在衍射極限下展示出優(yōu)良的限制、傳導(dǎo)光的能力，吸引著越來越多的關(guān)注?；诒砻娴入x子體激元的納米激光器則可以實(shí)現(xiàn)深亞波長甚至納米波長的輻射發(fā)光，這使得激光器的微型化成為可能，然而設(shè)計(jì)高性能的基于表面等離子體波導(dǎo)的納米激光器存在著模場局域性和損耗的矛盾問題，即獲得局域性好的模場分布則會存在較大的傳輸損耗，保持較低的傳輸損耗又會導(dǎo)致模場的局域性差。近些年來，混合表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的提出在一定程度上實(shí)現(xiàn)了高局域性模場分布和低損耗傳輸?shù)墓泊?，在混合表面等離子體波導(dǎo)中，表面等離子體模式和介質(zhì)波導(dǎo)模式在低折射率間隙中相互耦合，使得這層間隙起到了儲存能量的作用，這在促使了減小傳輸損耗的同時(shí)增強(qiáng)了光場的局域性。目前，諸多研究小組對混合表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并且獲得一定成效，但是該結(jié)構(gòu)仍然有一定的提升空間，尤其石墨烯、二硫化鉬等材料的出現(xiàn)，促使該結(jié)構(gòu)性能的進(jìn)一步提升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中能量損耗較大，在室溫下實(shí)現(xiàn)困難，模式場分布不集中，導(dǎo)致納米激光器的閾值較大，綜合性能較差的缺陷，提供了一種能量損耗小，可以在室溫下實(shí)現(xiàn)，閾值更小，綜合性能更優(yōu)的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明提供一種基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器，包括：半導(dǎo)體納米線、上SiO₂層、MoS₂層、下SiO₂層、金屬納米線以及包裹金屬納米線的SiO₂層，其中：

上SiO₂層和下SiO₂層的橫向中間位置均設(shè)置有空氣槽，上SiO₂層和下SiO₂層之間被MoS₂層間隔；半導(dǎo)體納米線位于上SiO₂層之上，并與上SiO₂層橫向中間位置的空氣槽通過兩個(gè)交點(diǎn)相連；金屬納米線位于下SiO₂層下方，且包裹在SiO₂層內(nèi)部，金屬納米線與下SiO₂層橫向中間部分的空氣槽通過一個(gè)交點(diǎn)相連。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的半導(dǎo)體納米線為通過元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)，增益介質(zhì)腔體的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化鋅中的任意一種。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的半導(dǎo)體納米線的橫截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的金屬納米線材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的上SiO₂層、MoS₂層和下SiO₂層組成間隔層，間隔層用于隔開半導(dǎo)體納米線和金屬納米線。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的半導(dǎo)體納米線和金屬納米線表面的等離子激元之間能夠發(fā)生耦合，在間隔層中形成亞波長限制的等離子激元雜化振蕩光場。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的半導(dǎo)體納米線和金屬納米線的半徑比值在0.8到1.2之間。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的上SiO₂層和下SiO₂層的橫向中間的空氣部分的寬度為半導(dǎo)體納米線半徑的0.1到0.4倍。

進(jìn)一步地，本發(fā)明的激光器的尺寸為納米級。

本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是：本發(fā)明的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器，通過在設(shè)計(jì)中半導(dǎo)體納米線金屬納米線均采用圓柱形，形成了良好的模式局域性；在金屬納米線與半導(dǎo)體納米線加入空氣槽和新材料MoS₂可以降低損耗，這是因?yàn)榻饘俳缑娴谋砻娴入x子體模式與半導(dǎo)體納米線波導(dǎo)模式耦合導(dǎo)致部分電場能量局域在納米線和金屬基底之間的空隙間，空氣槽可以起到儲存能量的作用，最終實(shí)現(xiàn)納米激光器模式的高局域性和傳播的低損耗。解決了目前激光器中損耗與模式局域性不能同時(shí)優(yōu)化的問題，實(shí)現(xiàn)了激光器綜合性能的提升。

附圖說明

下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中：

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器的立體結(jié)構(gòu)示圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器的平面示圖；

圖中，1-半導(dǎo)體納米線，2-上SiO₂層，3-MoS₂層，4-下SiO₂層，5-金屬納米線，6-SiO₂層。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1、2所示，本發(fā)明實(shí)施例的基于二硫化鉬的表面等離子體激元的納米激光器，包括：半導(dǎo)體納米線1、上SiO₂層2、MoS₂層3、下SiO₂層4、金屬納米線5以及包裹金屬納米線5的SiO₂層6，其中：

上SiO₂層2和下SiO₂層4的橫向中間位置均設(shè)置有空氣槽，上SiO₂層2和下SiO₂層4之間被MoS₂層3間隔；半導(dǎo)體納米線1位于上SiO₂層2之上，并與上SiO₂層2橫向中間位置的空氣槽通過兩個(gè)交點(diǎn)相連；金屬納米線5位于下SiO₂層4下方，且包裹在SiO₂層6內(nèi)部，金屬納米線5與下SiO₂層4橫向中間部分的空氣槽通過一個(gè)交點(diǎn)相連。

半導(dǎo)體納米線1為通過元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)，增益介質(zhì)腔體1的材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘、氧化鋅中的任意一種。

半導(dǎo)體納米線1的橫截面形狀為正方形、三角形、圓形、六邊形、五邊形、橢圓、梯形中任意一種。金屬納米線材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。

上SiO₂層2、MoS₂層3和下SiO₂層4組成間隔層，間隔層用于隔開半導(dǎo)體納米線1和金屬納米線5。

半導(dǎo)體納米線1和金屬納米線5表面的等離子激元之間能夠發(fā)生耦合，在間隔層中形成亞波長限制的等離子激元雜化振蕩光場。SiO₂層6能夠有效減少等離子激元振蕩中的金屬熱損失。半導(dǎo)體納米線1和金屬納米線5縱向的中間部分的間隔層則使模式場局域在了間隔層部分，MoS₂層的使得激光器的損耗下降，從而促進(jìn)整體性能的提升。

半導(dǎo)體納米線1的截面形狀為正方形、三角形、五邊形、六邊形、圓形、橢圓形、梯形中任意一種。作為一種優(yōu)選的實(shí)施例，增益介質(zhì)腔體1為圓柱形，半徑為80納米，材料選為硫化鎘。

金屬納米線5材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。

該激光器在上SiO2層的厚度和下SiO2層的厚度為5納米，其損耗和閾值達(dá)到最低。

半導(dǎo)體納米線材質(zhì)為硫化鎘，通過元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)；金屬納米線的半徑為80納米，材質(zhì)為銀，其綜合性能最好。該結(jié)構(gòu)具有較高的模式局域性，其品質(zhì)因子能均能達(dá)到400以上，最高能可達(dá)到1300，歸一化模式面積均小于0.1，實(shí)現(xiàn)了光場的深亞波長約束；其激光器的損耗較低，有效傳播損耗均小于0.05，閾值均小于1.4/微米，最小閾值只有0.22/微米。

本實(shí)施例中的納米激光器出射激光的波長為489納米。

本發(fā)明的技術(shù)效果和優(yōu)點(diǎn)如下：

設(shè)計(jì)中金屬部分和半導(dǎo)體增益部分均采用圓柱形，有利于形成良好的模式局域性；在金屬納米線與半導(dǎo)體納米線加入空氣槽和新材料MoS2實(shí)現(xiàn)了損耗的降低，這是因?yàn)榻饘俳缑娴谋砻娴入x子體模式與半導(dǎo)體納米線波導(dǎo)模式耦合導(dǎo)致部分電場能量局域在納米線和金屬基底之間的空隙間，空氣槽可以起到儲存能量的作用，最終的納米激光器的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了納米激光器的模式的高局域性和傳播的低損耗。這樣，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中的納米激光器能量損耗大，在室溫下實(shí)現(xiàn)困難，模式的分布不集中，導(dǎo)致納米激光器的閾值較大，綜合性能較差的技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)了能量損耗小，可以在室溫下實(shí)現(xiàn)，閾值更小，綜合性能更優(yōu)的技術(shù)效果。

應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。