[发明专利]近场光学纳米孔径激光器

说明书

技术领域

本发明属于近场光学、纳米技术领域，特别涉及纳米孔径激光器的设计。

背景技术

纳米尺度光源是近场光学成像、探测以及近场光存储系统中的关键元件之一。近十年来具有纳米孔径的镀金属膜光纤探针已被广泛使用。但是，光纤探针的通光效率很低，通常为10^-4～10^-6。

近年提出了纳米孔径激光器，它是一种基于近场光学原理设计的具有纳米孔径的半导体固体激光器，是在现有的商用半导体固体激光器的出射表面镀金属膜层并在其上开一具有纳米尺寸的出射孔径。这种作为近场光学系统中的有源探针的纳米孔径激光器具有明显的优点，其输出光功率较具有相同小孔尺寸的镀金属膜光纤探针提高10⁴倍，通光效率超过1/1000，从而提高了信噪比和数据传输速度。但目前实验中所采用的纳米孔径通常为方形和圆形，直径约为50～100nm，输出功率约为微瓦量级，尚不能满足实际使用的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服已有纳米孔径激光器技术的不足之处，提出一种近场光学纳米孔径激光器，并对其参数进行优化设计，从而提高其通光效率及输出功率。

本发明提出的一种近场光学纳米孔径激光器，包括一半导体固体激光器，在该激光器的出射表面上镀有能形成纳米孔径的材料膜层，在该膜层上开有一纳米尺寸的出射孔径，其特征在于，所说的纳米孔径激光器的纳米孔径形状为匚形、工形、C形、半圆环形等等之一种异形孔径。

所说的纳米孔径轮廓纵向尺寸可为入射光波长的0.55/2～1/2。

本发明的纳米孔径激光器的膜层材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成纳米孔径的材料，其膜层厚度为50～100纳米。    

本发明的工作原理是基于近场光学的局域场增强效应。具体表现为所设计的异形纳米孔径激光器的通光效率(为全部输出功率与孔径范围内的全部入射光功率之比)大于1，这表明一定有孔径几何尺寸之外的能量通过了孔径，增强了输出功率。这种近场光学局域场增强效应的产生主要在于：当光束传播至近场距离，受到纳米孔径的强烈作用，其光强分布有所改变，在孔径区域大大增强；当光束进入孔径后更是受到金属孔径边缘、孔壁的强烈作用；当光束从孔径出射时同样受到边界条件突变的作用而表现为倏逝场的增强并随距离增加而迅速衰减。这种增强效应被强烈地约束在近场范围内。这个激励增强的过程表明：在近场范围内入射光束与纳米孔径会发生很强的相互作用，无论是入射前还是出射后。这种作用通常表现为相互作用，即孔径对光的分布发生影响，局域场中产生增强效应；同时光束的能量对孔径的金属层产生激励形成表面等离子振荡，反过来进一步增强了局域场强。上述的场增强效应受金属膜层的光学特性及厚度、孔径的几何形状及尺寸、金属膜表面等离子效应等的影响。其中，贡献最大的归结为偏振增强效应和共振增强效应。偏振增强效应与边界条件密切相关，实际上是一种边界效应。其表现为不同的偏振模式将会影响近场光斑的分布及通光效率，通光效率的提高强烈地依赖于与入射光偏振方向垂直的孔径尺寸。共振增强效应即是孔径散射场的干涉加强效应，与孔径的几何形状及孔径尺寸关系密切。

本发明的特点：

本发明的异形纳米孔径激光器的通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸的情况下较普通的方形孔或圆形孔纳米孔径激光器提高了10³～10⁴倍，所得到的通光效率大于1。其纳米孔径轮廓纵向尺寸为入射光波长的1/3时通光效率达到最大值，而光斑尺寸变化不大。同时，在具有相同近场光斑尺寸的情况下，其异形孔尺寸要大于普通的方形孔或圆形孔尺寸，而使得孔径制作更容易，对制作工艺的要求有所降低。

本发明的这种纳米孔径激光器可以作为纳米近场光学有源探针用于近场光学成像、光谱探测、数据存储、光刻、光学操作等。基于集成光学技术能够采用纳米孔径激光器制成新型光学存储读写头或近场光学显微镜的有源光学探针。

附图说明

图1为一般纳米孔径激光器的结构示意图。

图2为无限大金属屏上的小孔的计算模型示意图。

图3为本发明的实施例1具有匚形纳米孔径几何形状示意图。

图4为本实施例1的激光器出射光各个方向电场分量的分布示意图。

图5为本发明的实施例2具有工形纳米孔径几何形状示意图。

图6为本实施例2的激光器出射光各个方向电场分量的分布示意图。

具体实施方式

本发明的异形纳米孔径激光器结合匚形纳米孔径激光器和工形纳米孔径激光器的两种实施例详细描述如下：