高耦合效率纳米孔径激光器.pdf

一种高耦合效率纳米孔径激光器，包括一半导体固体激光器，镀于该半导体固体激光器出射面上的金属膜层，特征在于在该金属膜层上有激光出射的纳米尺度小孔，在该纳米尺度小孔内充满有折射率特定分布的介质材料。本发明利用近场光学的局域场增强效应，使纳米孔径附近的光场重新分布，使原本在孔径尺寸之外的能量通过了纳米孔径，导致孔径的通光效率远远大于1。

1、  一种高耦合效率纳米孔径激光器，包括一半导体固体激光器，镀于该半导体固体激光器出射面上的金属膜层(7)，特征在于在该金属膜层(7)上有激光出射的纳米尺度小孔(1)，在该纳米尺度小孔(1)内充满有折射率特定分布的介质材料。

2、  根据权利要求1所述的高耦合效率纳米孔径激光器，其特征在于所述的纳米尺度小孔(1)的形状为圆形、或半圆形孔、或方形孔、或工形孔、或C形孔，该纳米尺度小孔(1)的尺寸为0.2-0.5个波长。

3、  根据权利要求1所述的高耦合效率纳米孔径激光器，其特征在于所述的金属膜层(7)是金、或银、或铜、或铝金属的膜层，膜厚度为0.03-0.3个波长。

4、  根据权利要求1所述的高耦合效率纳米孔径激光器，其特征在于所述的纳米尺度小孔(1)内的介质的折射率为高斯分布，均匀高折射率，均匀低折射率。

5、  权利要求1所述的高耦合效率纳米孔径激光器的制备方法，其特征步骤是：在半导体固体激光器的出射表面镀上金属膜层(7)；然后在该金属膜层(7)表面通过光刻、聚焦离子束照射或化学腐蚀的方法加工纳米尺度小孔(1)；在该纳米尺度小孔(1)内填充介质材料；再通过光束照射产生折射率特定分布。

6、  根据权利要求5所述的高耦合效率纳米孔径激光器的制备方法，其特征在于所述的纳米尺度小孔(1)的介质，通过高斯光束照射形成高斯折射率分布。

高耦合效率纳米孔径激光器
技术领域
本发明涉及近场光学，半导体激光器，特别是一种高耦合效率纳米孔径激光器。主要用于近场光存储、和近场光刻等领域。
技术背景
近场光学的发展使人们能够突破经典光学分辨率的衍射极限，分辨率达到纳米量级。近年来，镀金属膜的光纤探针作为纳米尺度的光源得到了广泛应用。由于光纤探针的透过率很低，不能满足近场光存储，近场光刻等领域的应用。近年来提出的纳米孔径激光器是近场光学领域中比较理想的光源，作为近场纳米尺度的光源具有明显的优势，其输出功率较相同小孔尺寸的镀金属膜光纤探针提高10⁴，通光效率超过10^-3。为了进一步提高纳米孔径激光器的输出功率，Shi XiaoLei提出了异形纳米孔径激光器方案(参见论文”Ultrahigh light transmission through aC-shaped nanoaperture，”X.Shi，H.Lambertus，and L.T.Robert，Opt.Lett.28，1320～322(2003).)。尽管这种异形孔径激光器可以显著提高输出功率。但是异形孔的加工需要较复杂的技术，成本高，不能充分利用微加工的最高的分辨率。并且在一些情况下产生的动态孔径，例如超分辨近场结构(Super-RENS)，自然产生的孔径是圆形的。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种高耦合效率纳米孔径激光器，它应具有耦合效率高、近场光斑小和制作方便等优点。
本发明的基本构思是：
利用近场光学的局域场增强效应，通过在纳米孔径中填充特定分布折射率的介质，使纳米孔径附近的光场重新分布，使原本在孔径尺寸之外的能量通过该纳米孔，从而使孔径的通光效率远远大于1。(折射率高斯分布的介质---薄膜透镜)
本发明的技术解决方案如下：
一种高耦合效率纳米孔径激光器，包括一半导体固体激光器，镀于该半导体固体激光器出射面上的金属膜层，特征在于在该金属膜层上有激光出射的纳米尺度小孔，在该纳米尺度小孔内充满有折射率特定分布的介质材料。
所述的纳米尺度小孔的形状为圆形、或半圆形孔、或方形孔、或工形孔、或C形孔，该纳米尺度小孔(1)的尺寸为0.2-0.5个波长。
所述的金属膜层是金、或银、或铜、或铝金属的膜层，膜厚度为0.03-0.3个波长。
所述的纳米尺度小孔内的介质的折射率为高斯分布，或均匀高折射率，或均匀低折射率。
所述的高耦合效率纳米孔径激光器的制备方法，其步骤是：在半导体固体激光器的出射表面镀上金属膜层；然后在该金属膜层表面通过光刻、聚焦离子束照射或化学腐蚀的方法加工纳米尺度小孔；在该纳米尺度小孔内填充介质材料；再通过光束照射产生折射率特定分布。
所述的纳米尺度小孔的介质，通过高斯光束照射形成高斯折射率分布。
本发明的高耦合效率纳米孔径激光器的工作原理是，利用近场光学的局域场增强效应，在纳米孔径中填充的特定分布折射率的介质材料(如高斯分布)，使纳米孔径附近的光场重新分布，使原本在孔径尺寸之外的能量通过纳米孔径，导致孔径的透过率远远大于1。
计算表明，这种通光效率增大有两个方面的原因。其一，是在纳米小孔内填充的材料的折射率比较大。使照射光波在该介质中波长变短，也就相当于等效孔径增大。以至于使本来对该波长处于非传播的小孔，成为可传播小孔或者接近可传播小孔。其二，是填充介质材料的折射率特定分布，比如高斯分布，有利于光束向纳米小孔中心会聚，从而提高通光效率。此外，影响通光效率的因素还有纳米小孔几何尺寸，金属膜层的厚度。在相同尺寸和金属膜层厚度的条件下，纳米小孔内填充折射率特定分布的介质，可以使通光效率提高3-4个数量级。
本发明的优点：
1)该纳米孔径激光器输出耦合效率高，达到普通纳米孔径激光器的700倍左右。
2)与普通纳米孔径激光器相比，本发明纳米孔径激光器输出的近场光斑小。
3)制作方便，可以利用材料的热透镜效应，通过高斯光束照射产生折射率特定分布。
附图说明
图1为本发明具体实施例纳米孔径激光器的结构示意图。
图2为本发明具体实施例中金属膜层纳米尺度小孔示意图。
图3为本发明具体实施例中激光器出射光场在偏振和垂直偏振方向上截面图。
图4为本发明具体实施例中激光器出射光场在偏振和垂直偏振方向上不同传播距离处分布，以及与空孔相比的光场增强。
图5为本发明具体实施例中激光器出射光场在一定传播距离横向分布图。
图中：1-纳米尺度小孔  2-电极  3-p型半导体材料  4-激活区  5-n型半导体材料层  6-位相匹配层  7-金属膜
具体实施方式
图1为本发明具体实施例纳米孔径激光器的结构示意图。由图可见，本发明高耦合效率纳米孔径激光器，包括一半导体固体激光器，镀于该半导体固体激光器出射面上的金属膜层7，特征在于在该金属膜层7上有激光出射的纳米尺度小孔1，在该纳米尺度小孔1内充满有折射率特定分布的介质材料。
半导体激光器包括电极2，p型半导体材料3，激活区4，n型半导体材料层5，位相匹配层6，镀于半导体激光器出射面上的金属膜7。纳米尺度小孔1位于半导体激光器出射面上地金属膜7中央，相位匹配层6位于激光器出射端面上。p型半导体材料3与n型半导体材料层5之间为激活区4，电极2位于p型半导体材料3与n型半导体材料层5外侧。利用材料的热透镜效应(如Super-RENS技术)，通过高斯光束照射产生折射率高斯分布。从而形成激光出射小孔1。填充有折射率高斯分布的纳米尺度小孔1，其结构如图2所示，
对其通光效率提高的计算分析：
我们用图2中给出的模型。为简化计算，将金属膜7简化成无限大理想导体。纳米尺度小孔1内依次填充折射率高斯分布的介质，均匀高折射率，均匀低折射率，不填充任何介质的空孔等四种结构进行了计算。
计算模型中入射光为均匀平面波TM模(x方向偏振)，波长为6328nm，小孔为直径120nm的圆形孔，薄膜厚度为30nm，采用时域有限差分(FDTD)方法，计算空间分成Nx×Ny×Nz个网格单元，Nx＝Ny＝200，Nz＝100，网格大小为Δx＝Δy＝Δz＝3nm。对于纳米小孔内填充折射率高斯分布的介质的情形，最大折射率为4.52，最小折射率为3.12；纳米小孔内填充均匀高折射率材料的情形为折射率为4.52；纳米小孔内填充均匀低折射率材料的情形为折射率为3.12。计算结果如下：
图3(a)，(c)，(e)，(g)是入射光偏振方向上的光场分布依次对应于折射率高斯分布，均匀高折射率，均匀低折射率，空孔；(b)，(d)，(f)，(h)是入射光垂直偏振方向上的光场分布依次对应于折射率高斯分布，均匀高折射率，均匀低折射率和空孔的情形；图中使用的单位为dB。从图中可以看出由于不同折射率分布引起光场的重新分布。其中填充折射率高斯分布介质的情形透过光强提高最为显著，其次是填充均匀高折射率材料，再次是填充均匀低折射率材料。
图4(a)和(b)分别是填充折射率高斯分布的介质材料的情形的偏振方向和垂直偏振方向光强的分布，从图中可以看出其最大强度比入射光的强度高出9倍，说明原本处于纳米孔径之外的光，由于填充折射率特定分布材料的作用使光场重新分布。图4(c)和(d)是在不同传播距离处，入射光偏振方向和垂直偏振方向上，填充这种介质比空孔情形对应位置光强的比值，说明特定折射率分布引起的通光效率提高有巨大作用，可以达到3-4个数量级，图中给出的是一定位置处的比值，靠近膜面处这一比值更大。
图5(a)，(b)，(c)和(g)分别对应折射率高斯分布，均匀高折射率，均匀低折射率和空孔四种情形在z＝126nm处的横向光强分布。说明在纳米小孔中填充特定折射率材料，有利于减小光斑尺寸。