陈泳屹;佟存柱;秦莉;王立军;张金龙
【摘 要】Conventional semiconductor lasers suffer from the scale of the diffraction limit due to the light to be confined by the optical feedback systems. Therefore, the scales of the lasers cannot be miniaturized because their cavities cannot be less than the half of the lasing wavelength. However, lasers based on the Surface Plas- mon Polaritons(SPPs) can operate at a deep sub-wavelength, even nanometer scale. Moreover, the develop- ment of modern nanofabrication techniques provides the fabrication conditions for micro - or even nanometer scale lasers. This paper reviews the progress in nano-lasers based on SPPs that have been demonstrated re-cently. It describes the basic principles of the SPPs and gives structures and characteristics for several kinds of nanometer scale lasers. Then, it points out that the major defects of the nanometer scale lasers currently are focused on higher polariton losses and the difficulties in fabrication and electronic pumping technologies men- tioned above. Finally, the paper considers the research and application 风力发电汽车
prospects of the nanometer scale lasers based on the SPPs.%传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限，其腔长至少是其发射波长的一半，因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射，而且现代微纳加工技术的逐步成熟，也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展，综述了表面等离子体激元的基本原理，给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点，指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。
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【期刊名称】《中国光学》
无绳电熨斗【年(卷),期】2012(005)005
【总页数】11页(P453-463)
【关键词】纳米激光器;表面等离子体激元;纳米腔
【作 者】陈泳屹;佟存柱;秦莉;王立军;张金龙
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033 中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033
【正文语种】中 文
【中图分类】TN248.9;O439
1 引言
1960年由Schawlow和Townes发明的第一台红宝石激光器，是20世纪最重要的发明之一［1］。半个世纪以来，激光器正在朝着更小体积、更快调制速度、更大功率、更高效率等方向飞速发展。2003年以前，由于受制备工艺水平的限制，激光器尺寸难以超越衍射极限。随着微纳尺度加工工艺的成熟，激光器的空间尺度也不断缩小，已经进入了微米量级
、甚至纳米量级的时代。然而由于采用传统光学反馈谐振腔的激光器无法超越半波长谐振腔极限，因此微纳米激光器在尺度上无法再继续缩小。
基于表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)的纳米激光器与传统激光器不同，它利用导体中表面等离子体激元的激发来实现光场的三维限制和传输，从而将谐振腔的尺寸压缩到深亚波长甚至纳米量级。该纳米激光器在光互连、生物探测、医疗、纳米光刻、数据存储等领域有着广泛的应用前景［2-12］。
在光互连方面，纳米激光器可用来实现自动调控开关，其速度比目前最快的晶体管快1 000倍，这为制造速度超快的放大器、逻辑元件和微处理器提供了可能，因此可以制成超快纳光子大规模集成电路或大规模集成光路［13-15］。在生物探测与医疗方面，表面等离子体激元早在1983年就已应用于抗体与抗原相互作用的测定［16］，近年来又提出利用纳米球激光器表面振荡的表面等离子体激元强近场效应来癌症［17］。在纳米光刻方面，相比于电子束曝光与聚焦离子束刻蚀等方法，表面等离子体激元激光光刻可以实现纳米精度刻蚀、直写而又不需使用高真空设备，速度快、步骤简单且成本低廉，特别适于未来大规模生产纳米量级的结构与器件［18］。在磁性数据存储业，纳米激光器可用于热辅助磁存
储，在直径为纳米尺度的光斑上传输足够改变磁化方向的能量，突破超顺磁性极限，实现更大容量的磁盘信息存储。
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本文着重介绍了近几年已经在实验上证实并且取得突破性进展的基于表面等离子体激元的纳米激光。最近研究结果表明，基于表面等离子体激元的纳米激光可以有效克服损耗大、小于衍射极限等问题，在技术上实现突破衍射极限的纳米量级激光发射。
2 表面等离子体激元的基本原理
在基于表面等离子体激元的纳米激光器中，表面等离子体激元替代光子，在纳米尺度的谐振腔中谐振，并在激辐射的作用下得到放大与激射［19］。
表面等离子体激元［20-21］是指光子与金属表面的自由电子相互作用而被俘获，外来光子电磁场激发引起金属中电荷密度涨落产生的电磁模式［22］，它沿着金属表面传播，是一种倏逝表面波，满足麦克斯韦方程。 如图1所示，在一个平坦的半无限金属表面，假定金属与介质的界面位于yz面，x=0，而法线方向为x轴。入射光的磁场沿y轴方向入射到界面上，表面等离子体激元沿z轴方向传播，
x＞0的区域是真空或者其他介电材料，其介电常数为ε1;x＜0的区域为金属，其介电常数为ε2，金属的介电常数的实部是负值，即Re(ε2)＜0。介质(或真空)和金属中的电场分别为E1和E2，磁场分别为H1和H2，波矢分别为k1和k2，表面等离子体激元波矢为kspp，真空中的波矢为k0，根据麦克斯韦方程，设定电磁场的形式如下:
在x＞0区域:uwb人员定位
图1 表面等离子体激元在金属表面传输示意图Fig.1 Surface plasmon polaritons travelling along metal surface
由于:
因此
人脸识别门同理，在x＜0区域:
由于:
因此
利用电场的切向分量在边界上连续有:
电场由麦克斯韦方程确定:
于是有，在x=0处，
由式(3)、(6)、(7)、(9)，消去 k1x和 k2x可得:
注意到金属的 ε2＜0，|ε2+ε1|＜ |ε2|，因此，kspp＞k0。介电材料中，k21x＜0，k1x为虚数;在金属中，因为 ε2＜0，所以有 ＜0。由此可以推断出，表面等离子体激元在垂直金属表面+x和－x两个方向上无论是穿透介质(真空)还是金属，都是以指数衰减，只能沿着表面传播［23-24］。
利用表面等离子体激元的这种特性，制作一些金属的纳米结构，可以使光子耦合成为表面等离子体激元，并限制在纳米尺度的金属表面，从而极大地压缩电磁场在空间上的分布尺度［25-28］，上述理论为实现纳米激光器提供了理论基础［29-30］。
图2表示增益介质、激子与表面等离子体激元间的能量传递过程［31］。在基于表面等离
子体激元的纳米激光器中，增益介质的作用依然提供光增益和粒子数反转。电子空穴对(激子)被外界能量泵浦激发后，在激子能级跃迁的复合过程中，靠近金属表面的电子跃迁更多地耦合成为表面等离子体激元，从而沿着金属表面传播［32］，而不形成光子，这就是黑暗模式(dark mode)。黑暗模式沿着金属与介质的界面传输而没有辐射损耗，换言之，表面等离子体激元激光器产生相干强近场而不必辐射光子，不能通过远场方式观测。由于该模式耦合成为表面等离子体激元的自发辐射，没有向外界辐射光子，因此可以用来提供噪声很小的光学放大和较大的损耗补偿［33］。通过打破纳米结构的对称性可以使得表面等离子体激元从黑暗模式转变为发光模式［34］。表面等离子体激元在金属纳米结构附近共振可以导致自发辐射增强，因此在集成纳光子器件中有着重要的应用［35-43］。
图2 表面等离子体激元纳米激光器中的能级与跃迁［31］Fig.2 Energy levels and transition process of a surface plasmon polariton nano-laser
3 表面等离子体激元纳米激光器
3.1 纳米粒子表面等离子体激元激光器
该类器件利用了表面等离子体激元受激辐射放大机制(Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation)，最初由美国佐治亚州立大学的 Mark Stockman［19］在理论上提出并于2009年被诺福克州立大学M.A.Noginov利用实验成功验证［44］。其基本模型是由金属纳米球提供表面等离子体激元，在金属纳米球周围或者表面分布有增益介质［45-46］。实验中，当外来电磁场激发表面等离子体激元并在金属表面产生共振时［47］，由于共振增强效应和小尺寸效应，使得局域近场增强了6倍，所获得的增益完全弥补了金属的吸收损耗［48-49］。该实验使用的是金属核心外包染料分子的结构，通过化学自组装的方法合成，其中金属核直径为14 nm(见图3a，b)，整个纳米球尺寸为44 nm。实验验证了表面等离子体激元模式耦合成为光子模式的受激辐射，其激射波长为531 nm。图3(c)给出了在不同泵浦能量下纳米粒子表面等离子体激元激光器样本的受激辐射光谱。当泵浦能量较低时，原子跃迁的能量几乎没有传递给表面等离子体激元，因此发光很弱。当泵浦能量提高到阈值以上时，主要是表面等离子体激元振荡引起的激射发光。
3.2 纳米线表面等离子体激元激光器
图3 纳米粒子表面等离子体激元激光器Fig.3 Nanopartical surface plasmon polariton laser
此类激光器增益介质是纳米线，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。
美国加州大学伯克利分校的张翔等人［50-51］于2009年报导了一种纳米线表面等离子体激元激光器，其光学模式尺寸比衍射极限小近百倍，被称为深亚波长表面等离子体激元激光器。该器件使用了一种混合型表面等离子体激元光波导，如图4所示，其组成自下而上可分为3个部分，依次是一层金属银，5 nm的MgF2间隙层和高增益CdS半导体纳米线，CdS纳米线通过化学气相沉积和溶液旋涂等方法制备于 MgF2薄膜上。使用405 nm波长的激光器进行光泵浦，激射波长为489 nm。采用该结构实现了较强的模式限制，激子自发辐射速率提高到原来的6倍，自发辐射因子达到0.8，这使得阈值大幅降低，几乎为零。
这类结构能够实现远程表面等离子体激元波传输，原因在于实际传输的模式主要位于间隙层形成的微腔中，这样金属中的能量损耗大大降低，再加上微腔增强效应使得表面等离子体激元波传播得更远［52］。该器件制备难点在于如何实现纳米线和平板间隙层(MgF2)间的良好接触。这要求极低的薄膜粗糙度(≈1 nm波长均方根)、低的纳米线表面粗糙度和准确的沉积厚度(厚度误差＜2 nm)。
图4 纳米线表面等离子体激元激光器Fig.4 Nanowire surface plasmon polariton laser
该结构的出现将会在光电集成上带来巨大的潜在应用，因为该类激光的光场尺寸已经达到了微电子学中晶体管栅极的尺寸，使得光电子学和微电子学在可实现的尺度上达到一致。
3.3 圆柱形金属纳腔面发射纳米激光器
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