激光器工作原理
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激光器工作原理
激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。从、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。但是，到底什么是激光器呢？激光光束和手电筒光束的区别何在呢？
供图美国国家航空航天管理局兰利研究中心（Langley Research Center）的光学损伤阀值测试装置有三部激光器：高能脉冲钕-钇铝石榴石激光器、钛-蓝宝石激光器和谐振氦氖激光器。
整个宇宙中大约只有100多种不同的。我们看到的所有东西都是由这100多种原子以穷极无限的方式组合而成。这些原子之间排列组合的方式决定了构成的物体是一杯水、一块金属或是汽水瓶中的泡沫！
原子是永恒运动着的。它们不停地振动、移动和旋转，就连构成我们座椅的原子也是不断运动着的。固体实际上也在运动！原子有几种不同的激发状态，换言之，它们具有不同的能量。如果赋予原子足够的能量，它就可以从基态能量层级上升到激发态能量层级。激发态能量层级的高低取决于通过热能、光能、电能等形式赋予原子的能量有多少。
下图可以很好地阐释原子的结构：
最简单的原子模型由原子核和沿轨道旋转的电子组成。
简单原子由原子核（含有质子和中子）和电子云组成。我们可以把电子云中的电子想象成沿多个不同轨道环绕原子核运动。
即便以现代技术观察原子，我们也无法看到电子的离散轨道，但把这些轨道设想成原子不同的能级会对我们的理解有所帮助。换言之，如果我们对原子加热，处于低能量轨道上的部分电子可能受激发而跃迁到距离原子核更远的高能量轨道。
能量吸收：原子可以吸收热能、光能、电能等形式的能量。然后电子可以从低能量轨道跃迁至高能量轨道。
尽管这种描述很简单，但它确实揭示了形成激光的核心原理。
电子跃迁至更高能轨道后，最终仍要回到基态。在此过程中，电子以光子（一种粒子）的形式释放能量。您会发现，原子不断地以光子形式释出能量。例如，中的加热元件变成亮红色，其中的红色就是由于原子受热激发而释放的红色光子。观看上的图像时，您看到的其实是磷原子受高速电子激发所释放的各种不同颜色的光线。任何发光物体，包括、、，都是通过改变电子轨道并释放光子来发光的。
激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是light amplification by stimulated emission of radiation（受激辐射光放大）的简称。这一名称简要的描述了激光器的工作原理。
虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。这就提高了粒子数反转的程度。粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。
激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。受激电子所含能量比低层级电子的能量高。就像电子可以吸收一定能量达到激发态一样，电子也可以释放这种能量。如下图所示，电子只要向低层级跃迁，就会释放部分能量。释放的能量转化为光子（光能）的形式。发射出的光子具有特定的（颜色），这取决于释出光子时电子的能量状态。两颗拥有相同电子状态的原子会释放出相同波长的光子。
激光和普通光区别很大。它具有以下特性：
发射的激光具有单色性。激光含有一种特定波长（即特定颜色）的光线。光线的波长由电子回到低能轨道时释放的能量决定。
发射的激光具有良好的相干性。激光的组织结构较好，每个光子都紧跟其他光子运动。也就是说，所有光子的波前完全一致。
激光具有良好的指向性。激光光束紧密、集中且能量极高。相反，手电筒发出的光线朝多个方向散射，光线能量弱，集中度低。
为了实现以上三个特性，需要经过一个称为受激发射的过程。这种现象不可能在普通手电筒中出现，因为它的原子是随机释放光子。而受激发射时，原子是有组织地发射光子。
原子释放的光子具有特定的波长，此波长取决于激发态和基态之间的能量差。如果光子（拥有一定能量和相位）碰到另一个原子，且该原子拥有处于相同激发状态的电子，即可引起受激发射。第一个光子可以激发或引导原子发射光子，而后发射的光子（即第二个原子发射的光子）按与进入光子相同的频率和方向振荡。
激光器的另一个关键部件是一对反光镜，分别位于激光介质的两端。特定波长和相位的光子通过两端反光镜的反射，在激光介质之间来回穿行。在此过程中，它们会激发更多的电子由高能轨道向低能轨道跳跃，从而发射出更多相同波长和相位的光子，随后将产生“瀑布”效应，进而在激光器内迅速聚集起大量相同波长和相位的光子。激光介质某一端的镜面采用“半反射”镀层，也就是说它只会反射部分光线，而其他光线则可以穿透。穿透的光线就是激光。
红宝石激光器包括类似的闪光管、红宝石棒和两面反射镜（其中一面为半反射镜面）。红宝石棒是激光介质，闪光管是泵激源。
1. 未发射状态的激光器
2. 闪光管闪光并将光线射入红宝石棒。光线激发红宝石内的原子。
3. 其中的部分原子释放出光子。
4. 部分光子沿红宝石轴的平行方向运动，因而在两块反光镜之间来回反弹。它们经过红宝石晶体时，还会继续激发其他原子。
5. 单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光！
以下是真实的三级激光器的工作原理示意图。
激光器分为许多不同种类。激光介质可以是固体、气体、液体或。我们通常按照用于发出激光的介质对其进行分类：
固态激光器的发光材料分布在固态基质中（如红宝石激光或钕-钇铝石榴石激光）。钕-钇铝石榴石激光器可以发出波长为1064纳米(nm)的红外激光，其中1纳米等于1x10-9米。
气态激光器主要输出红色的可见光束，最常见的气态激光器包括：氦激光器和氦氖激光器。CO2激光器可以发射远红外能量，用于切割高硬度物质。
准分子(Excimer)激光器使用由氯、氟等活性气体和氩、氪、氙等惰性气体组成的混合物，其英语名称取自“excited”（受激发的）和“dimers”（二聚体）两个单词。通电激发时，可产生准分子（即二聚体）。发射激光后，二聚体可产生紫外波段的光线。
染料激光器使用罗丹明6G等合成有机染料的溶液或悬浊液作为激光介质。染料激光器具有极为宽广的波长调节范围。
半导体激光器，有时也称为二极管激光器，属非固态激光器。这种电子设备通常体积小、功率低。它们可以内置到大型激光二极管阵列（如或的写入源）中。
红宝石激光器（如前所述）属固态激光器，其释放的波长为694纳米。根据所需发射的波长（参阅下表）、功率、脉冲持续时间，可以选择其他激光介质。有些激光器功能非常强大，例如二氧化碳（CO2）激光器可以切割。二氧化碳激光器如此危险的原因在于其发射的激光处于光谱的红外和微波区域。红外辐射就是热量，因此二氧化碳激光器基本上可以熔化其对准的所有物体。
其他激光器，如二极管激光器，功率较弱，通常用于现在的便携式激光指示器。这些激光器通常能发出波长在630纳米至680纳米之间的红色光束。激光器广泛应用于工业和科研领域，例如，使用强激光激发其他分子，以观察其反应。
以下是一些常见的激光器及其激光波长：
波长（纳米）
氩氟激光（紫外光）
氪氟激光（紫外光）
氙氯激光（紫外光）
氮激光（紫外光）
氩激光（蓝光）
氩激光（绿光）
氦氖激光（绿光）
氦氖激光（红光）
罗丹明6G染料（可调光）
红宝石（CrAlO3）（红光）
钕-钇铝石榴石（近红外光）
二氧化碳（远红外光）
根据可能造成的生理伤害，激光器可分为四个广泛的种类。每套激光设备都应具有以下四种标志之一：
I级：这种激光器不会构成任何已知程度的伤害。
I.A.级：这是一个特殊的级别，指“不适宜用眼睛直接观看”的激光器，比如超市使用的激光扫描器。此级别激光器的最高限定功率为4.0毫瓦。
II级：指低功率可见光激光器，其发射功率比I级高，但是辐射功率不高于1毫瓦。人类对强光的自动防御反应可以保护人类不受伤害。
IIIA级：指中低功率激光器（连续波：1-5 mW），只有光束内视的情况下才会构成危险。多数的笔状激光指示器都属于该级别。
IIIB级：指普通功率的激光器。
IV级：指高功率激光器（连续波：500毫瓦，脉冲波：10 J/cm2或漫反射极限值），任何情况下，无论直接还是间接观测都有危险，而且可能引发火灾或灼伤皮肤。IV级激光设备必须接受严格的控制。
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联系电话 *基于表面等离子体激元的纳米激光器设计
魏来, 李芳, 周剑心. 基于表面等离子体激元的纳米激光器设计.光子学报, ): 1014004
WEI Lai, LI Fang, ZHOU Jian-xin. Design of Surface Plasmon Polariton Nano-laser. ACTA PHOTONICA SINICA,
): 1014004&&
Doi:10.3788/gzxb4004
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基于表面等离子体激元的纳米激光器设计
武汉工程大学 理学院 光学信息技术实验室, 武汉 430073
第一作者:魏来(1989-),男,硕士研究生,主要研究方向为微纳光子学. Email:;导师(通讯作者):李芳(1982-),女,教授,博士,主要研究方向为超快非线性光学和超快光谱、微纳光子学. Email:
基金:国家自然科学基金(No.)、湖北省自然科学基金( Nos.2013 CFB316,2014 CFB793)和武汉工程大学研究生教育创新基金 ( No.CX2015092)资助
设计了一种基于纳米线/间隔层/金属层的纳米激光器结构.该结构中,金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,提高了场增强效应.采用有限元法,分析了该结构的模式特性和增益阈值随几何尺寸的变化规律.结果表明:该结构具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,有效传播损耗最小值仅为0.013 3,归一化模式面积最小值仅为0.007.该纳米激光器结构可为发展新一代高效纳米激光器件提供理论和技术支持.
纳米激光器;
表面等离子体;
中图分类号:TN252
文献标志码:A
文章编号:16)10-
Design of Surface Plasmon Polariton Nano-laser
ZHOU Jian-xin
Optical Information Technology Lab, School of Science, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430073, China
Fund:The National Natural Science Foundation of China (No.), the Hubei Province Natural Science Foundation (Nos.2013CFB316, 2014CFB793) and the Innovation Fund of School of Science, Wuhan Institute of Technology (No.CX2015092)
A surface plasmonic nano-laser structure based on a nanowire/gap/metal layer was proposed. The models produce a significant field enhancement effect through the mode-coupling between nanowire and metal layer. Modal properties and lasing threshold under different geometric shapes and parameters were investigated and analyzed by the finite element method. Simulation results reveal that this kind of nano-laser has a low propagation loss and high field confinement ability, its minimum propagation loss is only 0.013 3 and the minimum normalized mode area is only 0.007. The results provide theory and technique support to the field of new nano-laser design.
Nano-laser;
Surface plasmon;
Finite element;
Mode properties;
OCIS Codes: 140.36; 230.70; 240.380 引言近年来, 随着纳米技术的发展, 器件微型化逐渐成为趋势.人们对纳米世界的深入探索, 需要超小、超快的激光器将光的能量集中到亚波长尺寸区域.当光作用的结构尺寸大于光波波长时, 将产生零级透射衍射波和反射衍射波以及高阶透射和反射衍射波, 光束无法实现亚波长化[]; 而具有体积小、重量轻、容易复制等许多优点的亚波长器件(器件尺寸小于波长)仅有零级反射衍射波和透射衍射波产生, 使得采用亚波长衍射光学元件的普通激光器可以实现光束的亚波长化.但是, 该激光器的损耗较大.基于表面等离子体激元(Surface Plasmons, SPs)[]的纳米激光器用表面等离子体激元替代受激辐射的光子[], 虽然工艺较为复杂, 但突破了传统光学中衍射极限的瓶颈, 实现了激光器的亚波长化, 具有较低的损耗和阈值.目前, 表面等离子体因其局域性好、响应速度快等优点而受到广泛关注[, ], 并且被应用于能源、光子芯片等方面[, ], 促进了激光器微型化的发展.人们对纳米激光器的性质进行了深入研究.2003年, Stockman[]为解决金属的损耗问题引入光学增益材料, 实现了表面等离子体激元的受激辐射, 使表面等离子体激元用于激光器成为可能.2008年, Zheludev[]研究组在实验上实现了表面等离子体激元的受激辐射, 为纳米激光器的制备提供了实验方案.2009年, 张翔[]等在棒状增益材料和金属层之间加入间隔层, 该类激光器的间隔层使损耗大大降低, 一定程度上降低了激光器的阈值, 使纳米激光器在室温条件下实现成为可能.2010年, Li等[] 对方形金属谐振腔的两种模式及其机制进行了探讨, 促进了纳米激光器机理的研究.2015年, Song等[]用掺杂的增益介质包裹银纳米颗粒合成金属纳米结构, 并且改变金属纳米结构的形状和增益层的厚度, 分析纳米激光器的阈值变化情况, 丰富了纳米激光器的结构.目前主要的纳米激光器有纳米粒子表面等离子体[]激光器、纳米线表面等离子体激光器[]、圆柱形金属纳腔面发射[]纳米激光器、金属介质金属结构纳米[]激光器等, 不同类型的激光器属性不同, 适当的结构选择才能在满足要求的情况下获得性能最佳的纳米激光器.本文以目前能在室温下实现受激辐射的纳米线结构为基础, 设计了一种基于纳米线/间隔层/金属层结构的表面等离子体激元纳米激光器模型, 通过有限元法, 对设计模型的模式特性和阈值进行了分析, 实现了纳米激光器综合性能的提升.1 理论分析设计的激光器的增益介质为纳米线, 纳米线产生的光子与金属层耦合形成表面等离子体激元, 该激元沿纳米线方向传播, 在纳米线两端反射形成的F-P腔内传输振荡, 被增益介质放大并实现激射.理论分析知SPs 波只能以TM 模的形式在金属介质表面传播, 其波矢表示为ksp=k0 εdεmεd+εm12(1)式中k0是自由空间平面波传播波矢, ε d和ε m分别为介质和金属的介电常量.SPs波的传播波矢始终大于自由空间中传播的平面电磁波波矢, 这是SPs波重要的物理特性之一, 也是SPs 波能够突破衍射极限的限制将传播场局域在亚波长的尺寸空间内, 被用于微型激光器的主要原因之一.为了使该激光器的波导结构具有较大的传输长度, 金属介电常量的实部要大, 虚部要小, 即必须选择低损耗、低吸收系数的贵金属, 一般选用金和银[], 本文选取的金属为银.2 物理模型本文建立的基于表面等离子体激元的纳米激光器的物理模型如.由可以看出, 该纳米激光器由CdS纳米线、金属层、位于CdS纳米线和金属层之间的间隔区域及连接这三者的MgF2层组成, 纳米线的纵向长度为10 &#x003 m, 纳米线的半径固定为60 nm, 目前多数研究已经讨论了纳米线半径的影响, 故本文不在讨论半径变化所带来的影响.设计中采用金属尖角与空气间隙接触, 有利于形成良好的模式局域性; 空气间隙为圆形, 这是因为当空气间隙为空气槽或者其他形状时, 电场会集中在边角位置, 使光场的局域性变差, 圆形间隙可以避免这种情况发生; 采用MgF2层将这三者连接起来实现损耗的降低, 这是因为金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合导致部分电场能量局域在纳米线和金属基底之间的空隙间, MgF2层在结构中起到储存能量的作用, 从而减少空隙间的能量损耗, 使所设计结构能够保持较低的损耗.最终实现纳米激光器光场的高局域性和传播的低损耗.图1Fig.1 图1 纳米激光器结构示意图Fig.1 The structure of nano-laser3 数值仿真及分析该纳米激光器对应的输出波长[, ]为489 nm, Ag、 MgF2、CdS的相对介电常量分别为-9.2+0.3i、1.96、5.76.本文采用有限元法模拟计算结构中的模式特性和增益阈值, 并使用散射边界条件, 对网格细化, 从而获得更加精确的结果[, ].3.1 基于表面等离子体激光器的场强分布分析利用有限元法计算纳米激光器的模场分布, 由于纵向方向的模场分量Ey占据主导, 这里只研究Ey.从可以看出, 电场的最大值位于金属与空气间隙的交界处, 并在远离界面时快速衰减.在两种介质的交界面, 电场得到增强, 但是增幅较小, 可以忽略不计.并且能量主要集中在空气间隙层中, 并有部分渗透到MgF2材料中.总之, 空气间隙处有很大的场增强效应, 实现能量约束及光场分布高度局域化.图2Fig.2 图2 电场分量Ey的强度分布. 插图为整体电场分布Fig.2 The electric field distribution of Ey. The inset plot the electric field distribution of nano-laser3.2 基于表面等离子体激光器的模式特性分析为了将本文所设计的结构更好地用于纳米激光器, 对模式特性进行分析, 实现对输出功率和激光光束半径的评估.反映模式特性的参量主要是有效折射率neff、有效传播损耗∂ eff、归一化模式面积(Aeff/A0)、限制因子Γ [, ].其中有效折射率和有效传播损耗分别对应等离子体波导相对传播常量的实部和自由空间相对波矢量的虚部.归一化模式面积用于表示模式的模场约束能力.其定义为A= AeffA0= ?E|2dxdy)2/(?|E|4dxdy)λ2/4(2)限制因子Γ 用于表征增益介质纳米线的场强限制能力, 其定义为CdS增益介质纳米线中的电场能量与该模式波导的总电能之比.为纳米激光器的模式特性随金属顶部角θ 以及空气间隙半径rair的变化.由可以看出, 随着金属顶角的增大, 有效折射率逐渐减小; 有效传播损耗先减小后增大, 整体平均损耗为0.019 7, 在θ =75° 时, 有最小值0.013 3; 限制因子逐渐增大, 总体的平均值能达到49%, 这表明绝大部分能量位于CdS纳米棒中; 归一化模式面积先增大后减小, 这与有效传播损耗的变化趋势相反, 这是因为归一化模式面积表示的模场局域能力与有效传播损耗是一对矛盾的物理量, 目前诸多的研究都在平衡这两者的矛盾关系, 从而实现更好的模式特性.同时, 还可以看出, 归一化模式面积均远小于0.1, 平均值为0.038 8, 最小值为0.007, 这表明光场的约束能力较强, 能够实现深亚波长约束.相对于金属顶角, 空气间隙半径对有效折射率和归一化模式面积的影响较大, 对有效传播损耗影响较小.随空气间隙半径的增大, 有效折射率、有效传播损耗、限制因子均减小, 归一化模式面积增大.图3Fig.3 图3 纳米激光器的模式特性随金属顶部角度θ 以及空气间隙半径rair的变化Fig.3 Mode properties of nano-laser versus degree θ
and gap rair该激光器结构设计很好地解决了光场的局域性和有效传播损耗的矛盾, 实现了高局域性和低损耗的共存.3.3 基于表面等离子体激光器的增益阈值分析阈值是使激光器实现受激辐射的增益大小, 是衡量纳米激光器工作品质的一个重要指标.激光器阈值越小, 表明实现受激辐射所需要的光学增益就越少, 其工作品质就越高.激光器的阈值表示为[]gth=[k0aeff+ln(1/R)/L]/(neff/nwire) (3)式中, k0 = 2π /&#x003 为真空中的波数, nwire 为增益介质纳米线的折射率, neff为模式的有效折射率实部, 比例因子neff /nwire为模式有效折射率的增强部分, Γ 为限制因子.端面反射率为R=(neff-1)/ neff+1(4)由可以看出, 随着金属顶角增大, 阈值先减小后增大, rair=10 nm, θ =65° 时, 取得最小值0.33 &#x003 m-1, 其他半径在θ =75° 时取得最小值, 在rair=5 nm的阈值最低, 为0.286&#x003 m-1, 整体的阈值平均水平为0.498 &#x003 m-1.将所有半径(去除rair=10 nm)在θ =75° 时的最小阈值进行分析, 可以看出最小阈值随着空气间隙半径线性增长.阈值的均值水平随空气间隙半径的增大而增大, 这是因为空气间隙的增大使得产生的表面等离子体激元的损耗增大, 进而需要的光学增益增大, 使得阈值提高.图4Fig.4 图4 阈值随结构的变化情况Fig.4 Threshold versus the structure由模式特性和阈值分析可知, rair=10 nm的综合性能最好, 其有效传播损耗平均为0.019 6, 实现了较低的传播损耗, 其归一化模式面积平均达到0.019 6, 为深亚波长的光场约束, 而限制因子平均达54%, 实现了良好的能量约束, 阈值平均值为0.431 &#x003 m-1, 有最小值0.332 &#x003 m-1, 各方面均接近设计结构的最优值, 与文献[13, 16]中结构相比, 实现了阈值和损耗的下降, 光场的局域性也得到提高, 由此可见, rair=10 nm为所设计结构的最优尺寸.4 结论本文通过理论分析和仿真设计, 提出了一种基于表面等离子体激元的纳米激光器的结构, 并从该结构的模式特性和阈值出发, 探讨了金属顶角和空气间隙半径对其影响, 结果表明, 该结构传输损耗低, 整体平均损耗为0.019 7, 最小值仅为0.013 3; 场局域性好, 归一化模式面积平均值为0.038 8, 最小值仅为0.007; 阈值低, 整体的阈值平均水平为0.498 &#x003 m-1, 最小阈值仅为0.286 &#x003 m-1; 并且获得明显的场增强效应.该纳米激光器结构为发展新一代高效纳米激光器件提供了理论和技术支持, 并在生物医疗、新型光源等领域有着潜在的应用前景.
The authors have declared that no competing interests exist.
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ZHAO Tong-kai , WEI Xing-zhan , DONG Xiao-chun.
赵同凯, 魏兴战, 董小春
A nanofocusing element based on subwavelength microcavity is proposed and demonstrated. Excited surface plasmons wave participates in interference in the microcavity, which results in a standing wave. Subsequently, the energy is coupled into the taper structure, and gives rise to a nanofocusing spot whose FWHM is about 100nm. It is found that the localized energy can be modulated by changing the length of surface plasmon microcavity. By using electromagnetic field simulation software FDTD, we characterize the intensity distribution pattern and open out the inner working principle of the element.
提出了一种基于亚波长金属光学谐振腔的纳米聚焦器件。通过利用亚波长金属结构激发表面等离子体波在谐振腔中发生干涉，形成驻波条纹，并被耦合进相邻的锥形微尖结构中，从而在锥形尖端进行聚焦，焦斑的尺寸达100 nm。研究表明：通过改变亚波长光学谐振腔的长度，可以对聚焦能量进行连续调制。利用电磁仿真软件FDTD进行了针对性仿真，描绘出该器件的强度分布图，揭示出其内在工作机理，并总结出能量聚焦的规律。
... 当光作用的结构尺寸大于光波波长时,将产生零级透射衍射波和反射衍射波以及高阶透射和反射衍射波,光束无法实现亚波长化[<xref ref-type="bibr" rid="b1--10-] ...
. ):287-324
WANG Zhen-lin.
随着理论研究的深入和现代微加工技术的进步,对支持表面等离激元 的金属微纳结构体系的研究已形成了一门新兴学科方向,即表面等离激元光子学.由于表面等离激元具有独特的光学特性,在数据存储、超分辨成像、光准直、太阳 能电池、生物传感器以及负折射材料等方面有着重要的应用前景,成为当前广受国内外学者重视的热点研究领域之一.本文对表面等离激元的特点、基本现象,以及 其带来的新颖效应及其应用研究前景的最新发展进行了介绍.
... 基于表面等离子体激元(Surface Plasmons,SPs)[<xref ref-type="bibr" rid="b2--10-]的纳米激光器用表面等离子体激元替代受激辐射的光子[<xref ref-type="bibr" rid="b3--10-],虽然工艺较为复杂,但突破了传统光学中衍射极限的瓶颈,实现了激光器的亚波长化,具有较低的损耗和阈值 ...
... 基于表面等离子体激元(Surface Plasmons,SPs)[<xref ref-type="bibr" rid="b2--10-]的纳米激光器用表面等离子体激元替代受激辐射的光子[<xref ref-type="bibr" rid="b3--10-],虽然工艺较为复杂,但突破了传统光学中衍射极限的瓶颈,实现了激光器的亚波长化,具有较低的损耗和阈值 ...
... 2003年,Stockman[<xref ref-type="bibr" rid="b3--10-]为解决金属的损耗问题引入光学增益材料,实现了表面等离子体激元的受激辐射,使表面等离子体激元用于激光器成为可能 ...
... 目前,表面等离子体因其局域性好、响应速度快等优点而受到广泛关注[<xref ref-type="bibr" rid="b4--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b5--10-],并且被应用于能源、光子芯片等方面[<xref ref-type="bibr" rid="b6--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b7--10-],促进了激光器微型化的发展 ...
... 目前,表面等离子体因其局域性好、响应速度快等优点而受到广泛关注[<xref ref-type="bibr" rid="b4--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b5--10-],并且被应用于能源、光子芯片等方面[<xref ref-type="bibr" rid="b6--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b7--10-],促进了激光器微型化的发展 ...
... 目前,表面等离子体因其局域性好、响应速度快等优点而受到广泛关注[<xref ref-type="bibr" rid="b4--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b5--10-],并且被应用于能源、光子芯片等方面[<xref ref-type="bibr" rid="b6--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b7--10-],促进了激光器微型化的发展 ...
... 目前,表面等离子体因其局域性好、响应速度快等优点而受到广泛关注[<xref ref-type="bibr" rid="b4--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b5--10-],并且被应用于能源、光子芯片等方面[<xref ref-type="bibr" rid="b6--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b7--10-],促进了激光器微型化的发展 ...
... 2008年,Zheludev[<xref ref-type="bibr" rid="b8--10-]研究组在实验上实现了表面等离子体激元的受激辐射,为纳米激光器的制备提供了实验方案 ...
... 2009年,张翔[<xref ref-type="bibr" rid="b9--10-]等在棒状增益材料和金属层之间加入间隔层,该类激光器的间隔层使损耗大大降低,一定程度上降低了激光器的阈值,使纳米激光器在室温条件下实现成为可能 ...
... 2010年,Li等[<xref ref-type="bibr" rid="b10--10-] 对方形金属谐振腔的两种模式及其机制进行了探讨,促进了纳米激光器机理的研究 ...
... 2015年,Song等[<xref ref-type="bibr" rid="b11--10-]用掺杂的增益介质包裹银纳米颗粒合成金属纳米结构,并且改变金属纳米结构的形状和增益层的厚度,分析纳米激光器的阈值变化情况,丰富了纳米激光器的结构 ...
... 目前主要的纳米激光器有纳米粒子表面等离子体[<xref ref-type="bibr" rid="b12--10-]激光器、纳米线表面等离子体激光器[<xref ref-type="bibr" rid="b13--10-]、圆柱形金属纳腔面发射[<xref ref-type="bibr" rid="b14--10-]纳米激光器、金属介质金属结构纳米[<xref ref-type="bibr" rid="b15--10-]激光器等,不同类型的激光器属性不同,适当的结构选择才能在满足要求的情况下获得性能最佳的纳米激光器 ...
... 目前主要的纳米激光器有纳米粒子表面等离子体[<xref ref-type="bibr" rid="b12--10-]激光器、纳米线表面等离子体激光器[<xref ref-type="bibr" rid="b13--10-]、圆柱形金属纳腔面发射[<xref ref-type="bibr" rid="b14--10-]纳米激光器、金属介质金属结构纳米[<xref ref-type="bibr" rid="b15--10-]激光器等,不同类型的激光器属性不同,适当的结构选择才能在满足要求的情况下获得性能最佳的纳米激光器 ...
... 目前主要的纳米激光器有纳米粒子表面等离子体[<xref ref-type="bibr" rid="b12--10-]激光器、纳米线表面等离子体激光器[<xref ref-type="bibr" rid="b13--10-]、圆柱形金属纳腔面发射[<xref ref-type="bibr" rid="b14--10-]纳米激光器、金属介质金属结构纳米[<xref ref-type="bibr" rid="b15--10-]激光器等,不同类型的激光器属性不同,适当的结构选择才能在满足要求的情况下获得性能最佳的纳米激光器 ...
... 目前主要的纳米激光器有纳米粒子表面等离子体[<xref ref-type="bibr" rid="b12--10-]激光器、纳米线表面等离子体激光器[<xref ref-type="bibr" rid="b13--10-]、圆柱形金属纳腔面发射[<xref ref-type="bibr" rid="b14--10-]纳米激光器、金属介质金属结构纳米[<xref ref-type="bibr" rid="b15--10-]激光器等,不同类型的激光器属性不同,适当的结构选择才能在满足要求的情况下获得性能最佳的纳米激光器 ...
. ):135201-
HUANG Hong , ZHAO Qing , JIAO Jiao
黄洪, 赵青, 焦蛟
本文提出了一种新颖的基于半导体纳米线/空气间隙/金属薄膜复合结构的表面等离子体纳米激光器，并给出了理论研究和仿真分析。这种结构通过金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合，从而使场增强效应得到显著提高。同时通过数值仿真研究，得到该混合波导结构的模式特性和增益阈值随空气槽宽度、纳米线半径的变化规律，表明它可以实现对输出光场的深亚波长约束，同时保持低损耗传输和高场强限制能力。通过最优化选择，最终得到纳米等离子体激光器的最优结构尺寸。
... 为了使该激光器的波导结构具有较大的传输长度, 金属介电常量的实部要大, 虚部要小, 即必须选择低损耗、低吸收系数的贵金属,一般选用金和银[<xref ref-type="bibr" rid="b16--10-],本文选取的金属为银 ...
. ):0916001-
WANG Cong , WU Gen-zhu , ZHOU Pei
王聪, 吴根柱, 周沛
A novel hybrid plasmonic waveguide which consists of a semiconductor nanowire and a mental nano-rib was proposed based on the traditional hybrid plasmonic waveguide.Relationship between the geometrical sizes and the properties of the proposed hybrid plasmonic waveguide,such as effective refractive index,propagation loss and normalized mode area was numerically simulated by employing a finite element method.And the gain threshold of the hybrid waveguide was analyzed.Simulation results reveal that this kind of hybrid waveguide has a low propagation loss and high field confinement ability,and its minimum mode area is only 0.001 52 & m 2 .
基于传统混合表面等离子体波导，提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟，研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律，分析了该混合波导的增益阈值.结果表明：该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力，并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52 & m 2 .
... 3 数值仿真及分析该纳米激光器对应的输出波长[<xref ref-type="bibr" rid="b17--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b18--10-]为489 nm, Ag、 MgF2、CdS的相对介电常量分别为-9 ...
. ):737-741
CHEN Jia-yin , LIU Guo-jun , WANG Jiang-an.
陈佳音, 刘国军, 王江安
为了进一步明确MIM (Metal-insulator-metal)波导结构的SPP(Surface plasmon polariton)模式特性,建立了MIM结构的SPP模式关系、激发系数和反射系数的理论模型.仿真数值计算结果表明:较大的介质厚度的TM基态模式衰减超过了振荡模式衰减,与传统的介质波导明显不同;TE模式表现为失真的介质光波导模式特性,其传播距离要远大于TM0;MIM结构中腔的Q值随着长度增加而增大,表明了SPP反射受限;腔的品质因数改变与端面关系密切;MIM波导可以在具有更大Q值下确保光波更好地耦合成需要的SPP模式.
... 3 数值仿真及分析该纳米激光器对应的输出波长[<xref ref-type="bibr" rid="b17--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b18--10-]为489 nm, Ag、 MgF2、CdS的相对介电常量分别为-9 ...
. ):112-116
LIU Sen-bo , FU Hao , LI Xiao-long
刘森波, 付浩, 李小龙
以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。
... 本文采用有限元法模拟计算结构中的模式特性和增益阈值, 并使用散射边界条件,对网格细化,从而获得更加精确的结果[<xref ref-type="bibr" rid="b19--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b20--10-] ...
... 激光器的阈值表示为[<xref ref-type="bibr" rid="b19--10-] ...
. 2015, :-
LV Hong-bo.
由于传统的激光器受到衍射极限的影响,三维方向上的尺寸必须要大于半个光学波长,因此很难进一步将其尺寸缩小到纳米尺度。为了实现亚波长尺度光的控制,目前的一个方法是引入表面等离子体激元结构,这种方法在消除衍射极限的影响方面起到了很重要的作用。目前在应用表面等离子体激元结构的技术方面,面临的最主要的挑战是如何在降低来自于金属方面的传播损耗的同时实现能量高局域化传播。 在本文中,首先简要介绍近些年来关于纳米激光器和表面等离子体方面相关研究的进展情况,其次分析表面等离子体的基本理论以及计算电磁学中的数值方法,重点分析时域有限差分法和有限元法。 接下来本文提出了5种表面等离子体波导模型,包括拥有对称银膜的边界耦合的杂化表面等离子体波导、对称银膜边角处圆化后的边界耦合的杂化表面等离子体波导、以MgF2为夹层的杂化表面等离子体波导、纳米线被银膜包围后的杂化表面等离子体波导、包围纳米线的银膜边角处圆化后的杂化表面等离子体波导模型。通过Comsol Multiphysics软件来建立5种模型,并使用有限元法对不用几何尺寸下的模型进行仿真计算,对比分析几何参数对波导模式特性和激光阈值的影响,几何参数包括作为增益介质的纳米线的半径,纳米线和金属层间隔的宽度,金属薄膜边角处圆化后的半径等等,其中有效折射率、有效传播损耗、归一化的模式面积和限制因子用于反映模式特性。通过对计算结果的分析发现,光场的能量主要集中在夹层中,通过减小夹层的厚度,同时对金属薄膜的边角处进行圆化,圆化的半径越大,激光阈值越小,从而实现光的低损耗和能量高局域化传播。这一结论对表面等离子波导在低阈值纳米激光器的进一步研究有重要的意义。
... 本文采用有限元法模拟计算结构中的模式特性和增益阈值, 并使用散射边界条件,对网格细化,从而获得更加精确的结果[<xref ref-type="bibr" rid="b19--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b20--10-] ...
... [<xref ref-type="bibr" rid="b20--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b21--10-] ...
... [<xref ref-type="bibr" rid="b20--10-,<xref ref-type="bibr" rid="b21--10-] ...
基于表面等离子体激元的纳米激光器设计
[魏来, 李芳, 周剑心]}