近場光學納米孔徑雷射器的製作方法

2023-06-11 12:02:26

專利名稱：近場光學納米孔徑雷射器的製作方法
技術領域：
本發明屬於近場光學、納米技術領域，特別涉及納米孔徑雷射器的設計。
近年提出了納米孔徑雷射器，它是一種基於近場光學原理設計的具有納米孔徑的半導體固體雷射器，是在現有的商用半導體固體雷射器的出射表面鍍金屬膜層並在其上開一具有納米尺寸的出射孔徑。這種作為近場光學系統中的有源探針的納米孔徑雷射器具有明顯的優點，其輸出光功率較具有相同小孔尺寸的鍍金屬膜光纖探針提高104倍，通光效率超過1/1000，從而提高了信噪比和數據傳輸速度。但目前實驗中所採用的納米孔徑通常為方形和圓形，直徑約為50～100nm，輸出功率約為微瓦量級，尚不能滿足實際使用的要求。
本發明提出的一種近場光學納米孔徑雷射器，包括一半導體固體雷射器，在該雷射器的出射表面上鍍有能形成納米孔徑的材料膜層，在該膜層上開有一納米尺寸的出射孔徑，其特徵在於，所說的納米孔徑雷射器的納米孔徑形狀為匚形、工形、C形、半圓環形等等之一種異形孔徑。
所說的納米孔徑輪廓縱向尺寸可為入射光波長的0.55/2～1/2。
本發明的納米孔徑雷射器的膜層材料可包括金、鋁、銀等材料或其它能形成納米孔徑的材料，其膜層厚度為50～100納米。
本發明的工作原理是基於近場光學的局域場增強效應。具體表現為所設計的異形納米孔徑雷射器的通光效率(為全部輸出功率與孔徑範圍內的全部入射光功率之比)大於1，這表明一定有孔徑幾何尺寸之外的能量通過了孔徑，增強了輸出功率。這種近場光學局域場增強效應的產生主要在於當光束傳播至近場距離，受到納米孔徑的強烈作用，其光強分布有所改變，在孔徑區域大大增強；當光束進入孔徑後更是受到金屬孔徑邊緣、孔壁的強烈作用；當光束從孔徑出射時同樣受到邊界條件突變的作用而表現為倏逝場的增強並隨距離增加而迅速衰減。這種增強效應被強烈地約束在近場範圍內。這個激勵增強的過程表明在近場範圍內入射光束與納米孔徑會發生很強的相互作用，無論是入射前還是出射後。這種作用通常表現為相互作用，即孔徑對光的分布發生影響，局域場中產生增強效應；同時光束的能量對孔徑的金屬層產生激勵形成表面等離子振蕩，反過來進一步增強了局域場強。上述的場增強效應受金屬膜層的光學特性及厚度、孔徑的幾何形狀及尺寸、金屬膜表面等離子效應等的影響。其中，貢獻最大的歸結為偏振增強效應和共振增強效應。偏振增強效應與邊界條件密切相關，實際上是一種邊界效應。其表現為不同的偏振模式將會影響近場光斑的分布及通光效率，通光效率的提高強烈地依賴於與入射光偏振方向垂直的孔徑尺寸。共振增強效應即是孔徑散射場的幹涉加強效應，與孔徑的幾何形狀及孔徑尺寸關係密切。
本發明的特點本發明的異形納米孔徑雷射器的通光效率與輸出光強極大值在具有相同近場光斑尺寸的情況下較普通的方形孔或圓形孔納米孔徑雷射器提高了103～104倍，所得到的通光效率大於1。其納米孔徑輪廓縱向尺寸為入射光波長的1/3時通光效率達到最大值，而光斑尺寸變化不大。同時，在具有相同近場光斑尺寸的情況下，其異形孔尺寸要大於普通的方形孔或圓形孔尺寸，而使得孔徑製作更容易，對製作工藝的要求有所降低。
本發明的這種納米孔徑雷射器可以作為納米近場光學有源探針用於近場光學成像、光譜探測、數據存儲、光刻、光學操作等。基於集成光學技術能夠採用納米孔徑雷射器製成新型光學存儲讀寫頭或近場光學顯微鏡的有源光學探針。
圖2為無限大金屬屏上的小孔的計算模型示意圖。
圖3為本發明的實施例1具有匚形納米孔徑幾何形狀示意圖。
圖4為本實施例1的雷射器出射光各個方向電場分量的分布示意圖。
圖5為本發明的實施例2具有工形納米孔徑幾何形狀示意圖。
圖6為本實施例2的雷射器出射光各個方向電場分量的分布示意圖。
對於納米孔徑雷射器的近場光場分布，可採用圖2所示的無限大金屬屏上的小孔的計算模型，利用時域有限差分方法進行仿真計算。計算中假設雷射器諧振腔(圖中省略)中振蕩的光束呈現平行光8特性，只有部分光束能夠透過雷射器的光輸出端面上的金屬膜微孔10。以理想導體模擬金屬膜層9，選光的真空波長為600nm的無限大均勻偏振平面波沿小孔的軸向入射，入射面為xoz平面。電場的各分量分別為Ey＝Ez＝0，Ex＝1V/m，即入射光為TM模，只有沿x方向的分量。將所計算的三維空間劃分為Nx×Ny×Nz個網格單元陣列，每個單元在座標軸上的長度分別為Δx、Δy、Δz，取Δx＝Δy＝Δz＝5nm。計算空間為Nx＝Ny＝120、Nz＝60。
本發明的實施例1為匚形孔納米孔徑雷射器，其孔徑截面圖及幾何尺寸如圖3所示。其中，11為光出射表面上的金膜，12為匚形孔。雷射器工作波長為600nm時，按優化設計，匚形孔的幾何尺寸描述如下，其孔徑輪廓縱向尺寸L為210nm，L1、L2、L3均為70nm，H為140nm。匚形孔的金膜層厚度為100nm。採用圖2所示的計算模型，利用時域有限差分方法進行仿真計算，可獲得在距離孔徑膜層表面50nm的平面上匚形孔納米孔徑雷射器光場的各個方向電場分量的分布分別如圖4(a)(b)(c)(d)所示。圖4(a)(b)(c)(d)分別為x、y、z方向分量|Ex|2、|Ey|2、|Ez|2以及總場分布|Et|2。從這幾幅圖可以很明顯的看出在近場區域內匚形孔納米孔徑雷射器的分布呈現出下述特徵(1)|Ey|2遠遠小於|Et|2，主要分布在向內凹的那條邊界的兩端；呈現出對稱的兩光斑分布。(2)|Ez|2分量導致了總電場在測量平面內出現邊緣增強的場分布特性。|Ez|2分量產生於匚形孔徑上垂直x方向的邊沿，在橫截面內|Ez|2形成兩個獨立的對稱於y軸的異形光斑，在孔徑邊緣表現出很明顯的場增強效應，其大小比x方向的分量稍小一些。(3)在總場|Et|2中，孔徑範圍內的分布以|Ex|2為主，但|Ez|2也會對總場分布形狀產生較大的影響。從z＝50nm平面內的分布可看出，此時總場的分布為一橢圓光斑，由於受z向增強的影響，不僅總強度有所提高，而且總場的分布與|Ex|2的分布相比，在x方向稍寬一些。得到匚形孔納米孔徑雷射器在距離孔徑膜層表面50nm的平面上光斑的x、y方向上光強半高寬分別為95nm、80nm，光強極大值為35.4，通光效率為2.6011。可以看出，匚形孔的光強極大值得到了極大的增強，同時通光效率提高了很多，在具有相同近場光斑尺寸的情況下較普通的方形孔或圓孔納米孔徑雷射器提高了103～104倍，而光斑尺寸變化不大。匚形孔的通光效率大於1，這表明透過小孔的全部光功率超出小孔物理面積內的全部入射光功率，說明小孔物理邊界以外區域的光能量也能透過小孔。
實施例二為工形孔納米孔徑雷射器，其孔徑截面圖及幾何尺寸如圖5所示。其中，13為光出射表面上的鋁膜，14為工形孔。雷射器工作波長為600nm時，按優化設計，工形孔的幾何尺寸描述如下，其孔徑輪廓縱向尺寸L為190nm，L1、L2均為60nm，H為205nm，H1為65nm，H2為70nm。工形孔對稱於x軸，但非嚴格對稱於y軸。工形孔的鋁膜層厚度為70nm。採用圖2所示的計算模型，利用時域有限差分方法進行仿真計算，可獲得在距離孔徑膜層表面50nm的平面上工形孔納米孔徑雷射器光場的各個方向電場分量的分布分別如圖6(a)(b)(c)(d)所示。圖6(a)(b)(c)(d)分別為x、y、z方向分量|Ex|2、|Ey|2、|Ez|2以及總場分布|Et|2。從這幾幅圖可以很明顯的看出在近場區域內工形孔納米孔徑雷射器的分布呈現出下述特徵(1)|Ey|2遠遠小於|Et|2，主要分布在向內凹的兩條邊界的四個端點處；呈現出對稱於x軸四光斑分布。(2)|Ez|2分量導致了總電場在測量平面內出現邊緣增強的場分布特性。|Ez|2分量產生於工形孔徑上垂直x方向的邊沿，在橫截面內|Ez|2形成兩個獨立的非嚴格對稱於y軸的光斑(由於工形孔非嚴格對稱於y軸)，在孔徑邊緣表現出很明顯的場增強效應，其大小比x方向的分量稍小一些。(3)在總場|Et|2中，孔徑範圍內的分布以|Ex|2為主，但|Ez|2也會對總場分布形狀產生較大的影響。從z＝50nm平面內的分布可看出，此時總場的分布為一橢圓光斑，由於受z向增強的影響，不僅總強度有所提高，而且總場的分布與|Ex|2的分布相比，在x方向稍寬一些。得到工形孔納米孔徑雷射器在距離孔徑膜層表面50nm的平面上光斑的x、y方向上光強半高寬分別為110nm、70nm，光強極大值為13.5134，通光效率為2.6429。可以看出，工形孔的光強極大值得到了極大的增強，同時通光效率提高了很多，與匚形孔一樣在具有相同近場光斑尺寸的情況下較普通的方形孔或圓孔納米孔徑雷射器提高了103～104倍，而光斑尺寸變化不大。工形孔的通光效率大於1，這表明透過小孔的全部光功率超出小孔物理面積內的全部入射光功率，說明小孔物理邊界以外區域的光能量也能透過小孔。
權利要求
1.一種近場光學納米孔徑雷射器，包括一半導體固體雷射器，在該雷射器的出射表面上鍍有能形成納米孔徑的材料膜層，在該膜層上開有一納米尺寸的出射孔徑，其特徵在於，所說的納米孔徑雷射器的納米孔徑形狀為匚形、工形、C形、半圓環形之任一種異形孔徑。
2.如權利要求1所述的近場光學納米孔徑雷射器，其特徵在於，所說的納米孔徑輪廓縱向尺寸為入射光波長的0.55/2～1/2。
3.如權利要求1所述的近場光學納米孔徑雷射器，其特徵在於，所說的膜層材料包括金、鋁、銀金屬材料，其膜層厚度為50～100納米。
全文摘要
本發明屬於近場光學、納米技術領域,包括一半導體固體雷射器,在該雷射器的出射表面上鍍有能形成納米孔徑的材料膜層,在該膜層上開有一納米尺寸的出射孔徑,所說的納米孔徑雷射器的納米孔徑形狀為匚形、工形、C形、半圓環形等等之一種異形孔徑。本發明對參數進行優化設計後,其通光效率與輸出光強極大值在具有相同近場光斑尺寸的情況下較普通的方形孔或圓形孔納米孔徑雷射器提高了10
文檔編號H01S5/00GK1349292SQ0113485
公開日2002年5月15日 申請日期2001年11月16日 優先權日2001年11月16日
發明者王佳, 徐鐵軍, 孫利群, 許吉英, 田芊 申請人:清華大學