亚波长激光器研究

亚波长激光器作为微小光源，在光集成芯片、生物检测等领域有着重要的意义。由于传统激光器的谐振腔受到衍射极限的限制无法做到很小，直接导致激光模斑和整个激光器尺寸很大（至少在数个工作波长量级），因此当光集成芯片的集成度越来越高时，如何得到更小尺寸的激光模斑和激光器件就成为了提高集成度的关键问题之一。在本项目中，我们将对尺寸突破衍射极限限制（小于半个工作波长）的激光模斑和激光器从理论基础、模拟方法以及实验制备等方面展开系统的研究。通过特殊的结构设计，探索深亚波长激光模斑的实现方法，研究突破衍射极限的新型谐振腔以达到实现亚波长激光器的目的。通过采用高/低折射率材料复合（Hybrid）的设计方法实现损耗更小、阈值更低的表面等离子体亚波长激光器。在理论研究的指导下，我们在本项目中将着重进行亚波长激光器的实验制备研究，同时研究它与亚波长光波导等光传输器件的高效耦合方法。

本报告主要对该项目在亚波长激光器（纳米激光器）这一当前国内外热点研究领域中开展的相关研究工作做一阶段性总结。亚波长激光器是近年来物理学、材料学、生物医学等多学科交叉的研究热点。本项目研究内容以金属表面等离子体效应所产生的空间电磁场模式约束为出发点，对如何在此基础上实现亚波长激光器进行了理论和实验研究。首先，我们提出了一种制备于金属基底表面的光学纳米天线结构，该结构同时存在两个不同频率的谐振模式，并且两个模式的热点位置重合，因此，一个模式可以用来作为激光谐振腔，而另一个可以作为泵浦光的耦合模式以提高泵浦效率。其次，我们研究了一种可用于亚波长激光器的V型槽同轴谐振腔，该结构两个侧壁之间距离非常小（50纳米以内）可以产生很强的电磁耦合效应，因此可以对其中的电磁场形成良好的限制作用，且随着V型槽深度的增加其谐振波长随之增加。该结构在我们感兴趣的波段范围内存在0阶和1阶谐振模式，其中1阶模式可以被用来提高泵浦耦合效率，而0阶模式可以用来形成亚波长光学谐振腔。我们利用电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等微纳加工手段对上述两种设计方案进行了样品加工，样品反射谱测试结果与理论设计一致。我们使用染料分子、量子点等作为增益介质对设计的结构进行了激发。由于亚波长激光器对加工及后续测试条件要求较高，我们经大量实验努力和尝试还未能获得理想的激发结果。经过认真分析总结，以及争取到更多的经费支持，目前已重新搭建了一套新的测试平台，预计在不久的将来可以获得更为满意的成果。