[发明专利]一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器

说明书

该发明属于一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器，属于微纳光学和光学纳米材料领域，特别涉及纳米线激光器。该光束可控纳米线激光器包括衬底，隔离介质和在隔离介质中开设的图形凹槽，以及生长在凹槽中的纳米线阵列。该发明将纳米线发光特性与微纳光束调控透镜设计相结合，制作一个用于光束调控的图形化区域供纳米线生长，使得纳米线的出射光实现准直，聚焦等光束调控。从而克服了纳米线发光散射严重，能量利用率低等缺点。提高了纳米线激光器在小型化，集成化光学器件的实际应用。

技术领域

本发明属于微纳光学和光学纳米材料领域，特别涉及纳米线激光器。

背景技术

自20世纪90年代起，纳米科技迅速发展，与传统块材相比,纳米材料有着许多独特的性能,例如表面效应、量子尺寸效应等等,因此也吸引着越来越多的人从事相关方面的研究。基于氧化锌、银、氮化镓、硫化镉等材料的纳米发光材料的相关研究引起了广大科学家的广泛关注。这些可发光的纳米材料对光学、信息、军事等领域均产生了较为深远的影响。

在这些年的研究之中,各种不同形貌的纳米线激光器结构被接连制备出来,同时它们的光学、电学、磁学、催化等特性也被人们一一揭示。然而,其中仍然存在不少问题悬而未决。其中最大难题是如何大幅度提高单位面积内发光强度和发光效率和其准直性。由于纳米线被激发的光大部分集中在纳米线的顶部且发散，所以如何有效控制纳米线所发出的光的方向成为其实现器件应用的最主要的难题。

在另一研究领域，用微纳米结构对光束进行调控也成为了近年来的研究热点，这项研究的主要原理是当光在传统光学元件中传播时，由于元件形状尺寸的变化，不同光路间会存在一定的相位差。通过调整这个相位差，我们就可以得到所需的出射波波前形状。由此我们提出了一个全新的设想，即将这种结构图形与纳米线激光器结合起来，设计出一种基于图形化生长的光束可控纳米线激光器。这样的设计将能够精准的控制纳米线的出射光方向，从而实现纳米线所发光完成聚焦，准直，偏折。为提高纳米激光器件的性能提供了全新的技术途径。

在“Electrically pumped waveguide lasing from ZnO nanowires(氧化锌纳米线的电泵浦光波导)”(美国加州大学的刘建林课题组2011年发表于《Nature.Nanotechnol》第2011,6:506-510)一文中设计并制作出了氧化锌半导体纳米激光器，同时对器件进行了光泵浦发光测试和电泵浦发光测试，室温下光泵浦下的激射光谱图(46-403kW/cm2)，电泵浦稳定发光时的电流阈值为50mA。但是，这种纳米激光器所激发出来的光大部分被散射，能量利用率得不到保障，所以很难在器件方面得到应用。

在公告号为CN 102148476B的专利文件中公开了一种《深度亚波长表面等离子体激元微腔激光器》，该激光器是将可产生横向耦合的深度亚波长表面等离子体激元谐振腔与双输出端直波导制备在金属薄膜衬底上，泵浦光源垂直于深度亚波长表面等离子体激元谐振腔的端面进入。使谐振腔与双输出端直波导横向等离子体激元耦合从而产生激光。该激光光斑小，强度大。但是这个设计只是从等离子体耦合增强层面来提高激光出射强度，而不能对出射光光束进行调控，这使得出射光能量大部分被散射掉，能量利用率较低。而且这个结构较为复杂，制备起来工艺要求较高。

发明内容

本发明是针对纳米线发光出射光散射严重，难以控制出射光方向，单元面积内光能量利用率低等问题，提出的一种新的通过图形化生长纳米线实现纳米线出射光方向可控的方法。以满足小型化，光电集成等目的。

本发明的解决方案是在背景技术生长纳米线阵列的衬底上镀一层隔离介质，这种介质用于阻挡纳米线在其表面生长。并在阻挡层上运用光刻技术对其进行图形化加工，使图形化区域的衬底裸露出来供纳米线在衬底/隔离介质组成的凹槽中生长。加工的图形为可以实现控制光束的微纳结构图形。运用化学气相沉积方法在图形化凹槽中生长纳米线，透明壳体罩于纳米线阵列及衬底上密封一体。