混合表面等离子体激元的纳米激光器设计

为了实现纳米激光器的性能优化,设计了一种基于纳米线、半圆形氟化镁、三角形空气槽和金属脊结构的纳米激光器模型。模型中耦合在低折射率电介质层中的SPP模式和纳米线波导可以在低折射率间隙下像电容器那样存储光能,从而使低折射率的空气槽场强明显增大。应用有限元法在COMSOL Multiphysics软件下,分析了该纳米激光器模型的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值随着设计结构几何参数变化的规律,通过各部分折线图的综合分析来得出模型性能的数据。分析表明：该模型的光场约束能力较强且传播损耗较低,其中归一化面积最小可达到0.004 8,有效传输损耗最小可达到0.002。波导模场区域和限制因素表明,该激光器模型可以实现输出光场的亚波长约束。该模型基本实现了低增益阈值、低传输损耗和高品质因数的要求。     

Spaser spectroscopy with subwavelength spatial resolution

We propose a method for high-sensitivity subwavelength spectromicroscopy based on the usage of a spaser (plasmonic nanolaser) in the form of a scanning probe microscope tip. The high spatial resolution is defined by plasmon localization at the tip, as is the case for apertureless scanning near-field optical microscopy. In contrast to the latter method, we suggest using radiationless plasmon pumping with quantum dots instead of irradiation with an external laser beam. Due to absorption at the transition frequencies of neighboring nano-objects (molecules or clusters), dips appear in the plasmon generation spectrum. The highest sensitivity is achieved near the generation threshold.     

改进型混合表面等离子体微腔激光器的研究

设计了一种拥有增益介质脊和空气间隙的改进型混合表面等离子体微腔激光器,并在微腔的两端面镀一层50 nm厚的银反射镜,有效地提高了纳米激光器的性能.基于COMSOL Multiphysics软件分别构建二维截面和三维立体模型,在1550 nm的工作波长下对该改进型结构的传输性能以及微腔性能进行分析.结果表明:该激光器具有显著的亚波长限制能力和很大的传输距离,最长距离可以达到1.29 mm.测试该激光器的微腔性能时,通过调整结构参数获得了高质量因子、低增益阈值以及深亚波长下的超小有效模式体积0.001092μm~3和超高的Purcell因子8.29×10~5.与先前结构对比,在结构参数统一时,所设计的结构具有更低的激光激射阈值和更强的微腔局域能力.所设计的改进型混合表面等离子体微腔激光器可以作为各种光子器件的基本构建模块,并可应用于传感、纳米聚焦和纳米激光等领域.     

Activation of silicon quantum dots and coupling between the active centre and the defect state of the photonic crystal in a nanolaser

A new nanolaser concept using silicon quantum dots (QDs) is proposed. The conduction band opened by the quantum confinement effect gives the pumping levels. Localized states in the gap due to some surface bonds on Si QDs can be formed for the activation of emission. An inversion of population can be generated between the localized states and the valence band in a QD fabricated by using a nanosecond pulse laser. Coupling between the active centres formed by localized states and the defect states of the two-dimensional (2D) photonic crystal can be used to select the model in the nanolaser.     

深亚波长约束的表面等离子体纳米激光器研究

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. 关键词： 表面等离子体 混合等离子体波导 纳米激光器