[发明专利]多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器

说明书

本发明公开了多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器,该激光器由表面等离激元纳米钉谐振腔(1)、间隔层(2)、增益介质(3)、二维材料层(4)四部分构成；其中表面等离激元纳米钉谐振腔(1)由金属纳米棒(11)与其上生长的一个或多个纳米片(12)构成，表面等离激元纳米钉谐振腔(1)与增益介质(3)之间是由间隔层(2)隔离开来，在该表面等离激元纳米脉冲激光器的表面覆盖有二维材料层(4)；正负电极(5)位于该表面等离激元纳米脉冲激光器的两端，通过在纳米钉谐振腔的表面引入一层具有可饱和吸收特性的二维材料，可实现表面等离激元红外纳米脉冲激光器的锁模和对Q的调控，将纳米激光器的激光脉冲时间提升到飞秒‑阿秒量级。

技术领域

本发明涉及纳米光电器件及纳米激光器领域，特别涉及基于多谐振竞争机制的可调谐表面等离激元红外纳米脉冲激光器。

背景技术

近年来，由纳米结构谐振腔构成的超小尺寸纳米激光器件在纳米成像、生物医疗、信息存储、纳米机器人等领域具有重要的应用前景。而传统的光学激光器受到衍射极限限制，具有尺寸大、阈值高、制备工艺复杂等缺点。在一些特殊的应用场合，需要把激光器件的尺寸做到纳米尺度，比如在血液检测、芯片上光互连上的应用就直接要求激光器的特征尺度接近电子器件，并且其功耗要小于成熟的电互联，应约在10飞焦每比特量级。因此，可突破衍射极限的表面等离激元激光器，它与传统的光学激光器不同，其通过放大金属中自由电子振荡形成的表面等离激元，而非光子，从而可实现深亚波长10纳米量级特征尺度的光场限制。但是，金属材料的损耗较高，在基于其构成的表面等离激元纳米激光器件中，器件获得的Q值较低，阈值较高，纳米激光器的性能较差。而且对于一般的金属纳米谐振腔结构构成的纳米激光器，其激光发射的脉冲和Q值等性能是不可调谐的，激光发射波长的调控范围也很有限，且没有定向性。因此，低阈值、可调谐、超小尺寸的纳米激光器件具有迫切需求。

本专利提出多谐振竞争机制的表面等离激元红外纳米脉冲激光器，其表面等离激元纳米钉谐振腔具有多谐振机制竞争效应，在纳米钉谐振腔中增加纳米棒的长径比可使其共振峰发生大范围的红移，共振峰能够从可见光波段甚至红移至红外区域，通过改变纳米钉谐振腔中纳米片的尺寸、数量、位置及方向等参数来调控其表面等离激元共振峰的位置，使之与纳米棒的共振峰相匹配进而形成多谐振竞争模式，从而在特定波长形成具有超高Q值的共振峰，可降低纳米脉冲激光器的阈值。当增益介质的发射波长与纳米钉谐振腔的共振峰一致时，将获得能量最强的激光。通过选择发射波长与谐振峰相匹配的增益介质，便可实现宽波段发射的纳米激光器，尤其是在红外波段。

更为重要的是本专利所提出的表面等离激元纳米激光器中引入了具有可饱和吸收特性二维材料，利用二维材料固有的可饱和吸收特性，当入射光较弱时，将被二维材料层完全吸收，导致纳米钉谐振腔损耗增大，激光器处于低Q状态；当入射光因反转粒子数的增大而变的足够强时，二维材料层对入射光几乎是透明的，纳米钉谐振腔的损耗急剧减小，纳米激光器处于高Q值状态，存储的能量在极短的时间内释放，从而输出高能量的调Q脉冲激光。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了克服已有表面等离激元纳米激光器的阈值高、脉冲和Q值不可调谐、激光发射波长的调控范围窄，提出了基于多谐振竞争机制的可调谐表面等离激元红外纳米激光器，该纳米激光器可实现阈值低和纳米激光器的发射波长可从可见-红外波段进行调谐。可饱和吸收特性，当入射光较弱时，将被二维材料层完全吸收，导致纳米钉谐振腔损耗增大，激光器处于低Q状态；当入射光因反转粒子数的增大而变的足够强时，二维材料层对入射光几乎是透明的，纳米钉谐振腔的损耗急剧减小，纳米激光器处于高Q值状态，存储的能量在极短的时间内释放，从而输出高能量的调Q脉冲激光，在纳米成像、生物医疗、信息存储、纳米机器人等领域具有重要的应用前景。