具有金属纳米颗粒结构的微小孔面发射激光器
常用激光器简介之欧阳德创编
几种常用激光器的概述一、CO2激光器1、背景气体激光技术自61年问世以来，发展极为迅速，受到许多国家的极大重视。
特别是近两年，以二氧化碳为主体工作物质的分子气体激光器的进展更为神速，已成为气体激光器中最有发展前途的器件。
二氧化碳分子气体激光器不仅工作波长(10.6微米)在大气“窗口”，而且它正向连续波大功率和高效率器件迈进。
1961年，Pola-nyi指出了分子的受激振动能级之间获得粒子反转的可能性。
在1964年1月美国贝尔电话实验室的C.K.N.Pate研制出第一支二氧化碳分子气体激光器，输出功率仅为1毫瓦，其效率为0.01%。
不到两年，现在该类器件的连续波输出功率高达1200瓦，其效率为17 %，电源激励脉冲输出功率为825瓦，采用Q开关技术已获得50千瓦的脉冲功率输出。
最近，有人认为，进一步提高现有的工艺水平，近期可以达到几千瓦的连续波功率输出和30~40% 的效率。
2、工作原理CO2激光器中，主要的工作物质由CO₂，氮气，氦气三种气体组成。
其中CO₂是产生激光辐射的气体、氮气及氦气为辅助性气体。
加入其中的氦，可以加速010能级热弛预过程，因此有利于激光能级100及020的抽空。
氮气加入主要在CO₂激光器中起能量传递作用，为CO₂激光上能级粒子数的积累与大功率高效率的激光输出起到强有力的作用。
CO₂分子激光跃迁能级图CO₂激光器的激发条件：放电管中，通常输入几十mA或几百mA的直流电流。
放电时，放电管中的混合气体内的氮分子由于受到电子的撞击而被激发起来。
这时受到激发的氮分子便和CO₂分子发生碰撞，N2分子把自己的能量传递给CO2分子，CO₂分子从低能级跃迁到高能级上形成粒子数反转发出激光。
3、特点二氧化碳分子气体激光器不但具有一般气体激光器的高度相干性和频率稳定性的特点,而且还具有另外三个独有的特点：（1）工作波长处于大气“窗口”，可用于多路远距离通讯和红外雷达。
（2）大功率和高效率( 目前，氩离子激光器最高连续波输出功率为100瓦，其效率为0.17 %，原子激光器的连续波输出功率一般为毫瓦极,其效率约为0.1%，而二氧化碳分子激光器连续波输出功率高达1200瓦,其效率为17%）。
纳米孔径垂直腔面发射激光器的制备及特性
ＶＣ Ｅ ） Ｓ Ｌ 的研究 ． 本文 详 细介绍 了 ＮＡ． Ｓ Ｌ的 制 ＶＣ Ｅ
备工 艺 ， 并研 究分 析 了它 的光谱 特性 和 寿命特 性 ．
２ ＮＡ Ｖ Ｓ Ｌ 的制 备 —Ｃ Ｅ
Ｎ ＶＣＳ Ｌ是 在 普 通 ８ ０ ｍ 波 长 Ｖ Ｓ Ｌ 的 Ａ． Ｅ ５ｎ Ｃ Ｅ
基 础 上制 备得 到 的． １为 它的结 构示 意 图 ． 具体 图 其 制备 工艺 如下 ：
维普资讯
ห้องสมุดไป่ตู้
第２ ８卷
第 ２ 期
半
导
体
学
报
Ｖ ｏ ． Ｎｏ． １ ２８ ２ Ｆｅ ， ００ ｂ． ２ ７
２０ ０ ７年 ２月
ＣＨ Ｉ ＮＥＳＥ Ｏ Ｕ Ｒ ＮＡ Ｌ Ｆ Ｊ Ｏ ＳＥＭ Ｉ Ｃ０ Ｎ Ｄ Ｕ ＣＴ０ ＲＳ
纳米 孑 径 垂 直 腔 面 发 射 激 光 器 的 制 备及 特 性 ＊ Ｌ
会属微小孑 Ｌ
有源区
图 １ ＮＡ． Ｓ ＶＣ ＥＬ的结 构示 意 图
Ｆｉ １ Ｓｃ ｅｍ ａ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏｆ ａ Ｎ Ａ － ｇ． ｈ ｔｃ ｓｒ ｃ ｕｒ ＶＣ Ｓ ＥＬ
（ ） 积 增 透 膜 ： ８ ０ ｍ 波 长 ＶＣ Ｅ 的 出 １淀 在 ５ｎ ＳＬ 光腔 面上 ， 电子 回旋 共 振 等离 子 体 化 学 气 相 沉积 用 法 淀 积一层 ＳＯ 和 ＳＮ ｉ ｉ 增 透 膜 ． 它具 有 以下 两 方 面的作 用 ： 一是 在下 一 步 镀 金 时避 免 金 和 出 光腔 面 直 接 接触 ， 而起 到保 护腔 面 的作用 ； 从 二是 作 为相位
ＰＡＣＣ ： ４２ ０Ｄ ； ４ ５Ｐ ６ ２５
中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ ８ ４ Ｎ ４ ．
激光器知识讲解
激光器基本知识激光的意思是光受激发射，激光器的意思就易理解了吧！类似于放大镜聚焦火柴，不过激光能量大，可连续和脉冲，分类激光器的种类就越来越多。
按工作物质的性质分类，大体可以分为气体激光器、固体激光器、液体激光器；按工作方式区分，又可分为连续型和脉冲型等。
其中每一类激光器又包含了许多不同类型的激光器。
按激光器的能量输出又可以分为大功率激光器和小功率激光器。
大功率激光器的输出功率可达到兆瓦量级，而小功率激光器的输出功率仅有几个毫瓦。
如前所述的He-Ne激光器属于小功率、连续型、原子气体激光器。
红宝石激光器属于大功率脉冲型固体材料激光器。
自由电子激光器，其工作介质是在周期性磁场中运动的高速电子束，激光波长可覆盖从微波到X射线的广阔波段。
按工作方式分，有连续式、脉冲式、调Q和超短脉冲式等几类。
大功率激光器通常都是脉冲式输出。
各种不同种类的激光器所发射的激光波长已达数千种，最长的波长为微波波段的0.7毫米，最短波长为远紫外区的210埃，X射线波段的激光器也正在研究中。
除自由电子激光器外，各种激光器的基本工作原理均相同，产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增益大过损耗，所以装置中必不可少的组成部分有激励（或抽运）源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。
激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件。
激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。
工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。
激光器中常见的组成部分还有谐振腔，但谐振腔（见光学谐振腔）并非必不可少的组成部分，谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性。
而且，它可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式（即选模），所以一般激光器都具有谐振腔。
激光器工作原理激光器广泛用于各种产品和技术，其种类之多令人惊叹。
从CD播放机、牙钻、高速金属切割机到测量系统，似乎所有东西都有激光器的影子，它们都需要用到激光器。
纳米激光器
• 从量子力学观点看，一切以波为基础的器件其尺寸最后的 限制将是所涉波长，光子器件的大尺寸很大程度上是由于 基本波长的限制，但在这种根本限制成为严重障碍之前， 材料和制备方法的选择，还是可以明显改进尺寸的微型化 • 纳米激光器一般是指尺寸等于或小于所涉波长的微型化激 光器。
量子阱激光器
在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之 成为量子阱。而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子 能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激 光器。
纳米粒子表面等离子体 激元激光器结构示意图
纳米线表面等离子体激元激光器
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。
纳米线表面等离子体激元 激光器结构示意图
圆柱形金属纳腔面发射纳米激光器
沿着银侧壁在介质和半导体内传播，被一端的银反射镜反射，在另一端 的端面实现边发射出光可实现电泵浦表面等离子体激元激光器，工作于 室温下
纳米激光器的应用前景
超快光学 计算 亚波长集成 光学电路
生物单分 子研究
光学数据 存储
圆柱形金属纳腔面发射激光器 是利用金属层包裹的纳米柱状 体构成的谐振腔，增益介质位 于纳米柱中。
低温电泵圆柱形金属腔面发射 纳米激光器结构示意图
金属-介质-金属结构纳米激光器
金属介质金属（MIM）结构的特点是利用表面等离子体激元只能在金属表面传播的 横波特性，使得两层金属表面等离子体激元耦合在一起，在中间的介质层中传播， 从而构造深亚波长光波导结构。
表面等离子体激元在 金属与介质表面附近 的电荷振荡示意图
激光器的分类介绍
激光器的分类介绍实际应用的激光器种类很多如以组成激光器的工作物质来说可分为气体激光器、液体激光器、固定激光器、半导体激光器、化学激光器等。
在同一类型的激光器中乂包括有许多不同材料的激光器。
如固体激光器中有红宝石激光器、铠铝石榴石\dYAG激光器。
气体型的激光器主要有He-\e氮氛、C02及氨离子激光器等。
由于工作物质不同产生不同波长的光波不同因而应用范围也不相同。
最常用而范围广的有C021aser及NdYAG激光。
有的激光器可连续工作如He-Ne laser有的以脉冲形式发光丄作。
如红宝石激光。
而另一些激光器既可连续工作乂可以脉冲匸作的有C021aser 及NdYAG laser。
一、固体激光器实现激光的核心主要是激光器中可以实现粒子数反转的激光丄作物质即含有亚稳态能级的工作物质。
如工作物质为晶体状的或者玻璃的激光器分别称为晶体激光器和玻璃激光器通常把这两类激光器统称为固体激光器。
在激光器中以固体激光器发展最早这种激光器体积小输出功率大应用方便。
山于工作物质很复杂造价高。
当今用于固体激光器的物质主要有三种掺钦铝石榴石\dYAG工作物质输出的波长为1. 06 u m呈口蓝色光枚玻璃丄作物质输出波长1. 06 u m呈紫蓝色光红宝石工作物质输出波长为694. 3nm为红色光。
主要用光泵的作用产生光放大发出激光即光激励工作物质。
固定激光器的结构III三个主要部分组成工作物质光学谐振腔、激励源。
聚光腔是使光源发出的光都会聚于工作物质上。
丄作物质吸收足够大的光能激发大量的粒子促成粒子数反转。
F增益大于谐振腔内的损耗时产生腔内振荡并山部分反射镜一端输出一束激光。
工作物质有2条主要作用一是产生光二是作为介质传播光束。
因此不管哪一种激光器对其发光性质及光学性质都有一定要求。
二、气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在常温常压下是气体有的物质在通常条件下是液体如非金属粒子的有水、汞及固体如金属离子结构的铜镉等粒子经过加热使其变为蒸气利用这类蒸气作为丄作物质的激光器统归气体激光器之中。
现代光学基础—新型激光器介绍
P型DBR由30.5对碳(2x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.9%的反
射率。
N型DBR由21.5对硅(1.5x1018cm-3)掺杂的Al0.9Ga0.1As/GaAs组成，提供99.3%的 反射率。 (3)氧化物孔径与钝化层：
GaAs
0.9 0.1
传统边发射激光器： 有源区形状设计自由，可按照需求制成圆柱形，与圆形孔径和圆形电极共同作 通过移动N型上DBR， 用，使输出光束窄又圆，无像散，易于与光纤耦合。 改变空气层厚度，进而增 腔长通常为几百微米，纵模间隔不 到一纳米，使得改变腔长对输出波长影
垂直腔表面发射激光器： [10]。同时，由 通过控制有源区直径和注入电流对输出光束远场发散角进行控制 腔长短，仅有单个纵模落在激光器 波长。 的增益带宽内。 于光束的远场特性圆对称，可被透镜聚焦和准直。
2019/3/20 现代光学基础 10
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参考文献
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2013年度“十大”新颖激光器
2013年度“十大”新颖激光器不经意间激光技术已经走过了半个多世纪，自1960年梅曼宣布世界上第一台激光器诞生以来，激光器已经发生了翻天覆地的变化。
在即将过去的2013年里也有一些新颖的激光器被研发出来，接下来激光网将盘点这一年里十大新颖激光器：1、世界首款数字激光器常规激光器一般包括3个部分。
光学谐振腔，包括固定在两端的面对面的两个反射镜；泵浦源，通常是电流或光；增益介质，种类包括气体、液体和固体等。
桑迪耶介绍，常规激光器工作原理是泵浦源的电流或光射进增益介质，增加增益介质里的电子能量，一些被增加能量的电子会自由释放特定频率的光子，谐振腔两端的反射镜把电子所释放的光子再反射回增益介质，反射回的光与增益介质内的电子产生共振并诱导更多电子释放光子，如滚雪球般把光放大，如此形成激光束，部分激光束通过反射镜射出谐振腔，其形状由发射镜面形状来控制。
桑迪耶展示反射镜，其表面均匀分割成十几个小镜面，每个小镜面代表着不同图像，意味着反射后产生不同的光束。
如果需要其他激光束，就需要更换反射镜，这些光学元件昂贵且娇贵，每更换一次还需对光进行重新校准。
而数字激光器的秘密在于将其中一个反射镜换成了“空间光调制器”。
“空间光调制器”如同一个可反光的微型液晶显示屏，“只需通过电脑向显示屏输入特定图像就能得到所需要的激光模式。
其最大特点是不用为每束激光设计一个新激光器，只需在电脑上变换图片，就能得到想要的光束形状。
”福布斯介绍道。
“数字激光可以创建几乎任何激光模式，而在以前，每束光都需要一个单独激光器，为此很多人需要花费一两年才能做到。
”记者看到，随着电脑上图片的不断变化，反射镜上的激光束不断发生变化，非常有趣。
桑迪耶表示，这项技术将改变现状，并可能在未来数年内创造出新市场。
南非媒体则评论说，这项发明是激光技术的一个里程碑。
在医疗领域，它可以用作无血手术，眼部护理和牙科。
在工业领域，它可以帮助切割，焊接。
在通信领域，它将极大促进光纤通讯的发展。
SPP效应的研究历程与应用现状分析
SPP效应的研究历程与应用现状分析摘要：表面等离子体激元（SPP）具有比较独特的特性，如近场增强、局域受限、短波长等特性，有关SPP的研究越来越广泛，基于表面等离子体激元的元器件也不断呈现，各种SPP器件广泛应用于化学-生物传感等领域。
关键词：表面等离子体激元；SPP效应；应用现状表面等离子体激元（SPP）具有近场增强、局域受限、短波长等比较独特的特性。
在SPP的表面局域特性方面，SPP在垂直于金属表面电场方向的强度呈指数衰减，利用表面局域特性构造表面结构可以降低光学控制的维度，形成二维微纳光学应用。
在SPP的近场增强特性上，金属的介电常数、金属薄膜厚度、表面粗糙程度等决定了场增强的程度。
尤其是人们在研究光与纳米材料相互作用时，研究金属微纳结构中局域表面等离子体的共振是一种重要方法，引起了人们的广泛关注。
这些特性已在光学、化学传感和检测领域均获得了广泛应用。
1表面等离子体激元的研究历程1902年，Wood在实验中用连续光谱的偏振光照射金属光栅时观测到反常的衍射现象并公开进行了描述。
1941年Fano根据表面电磁波在金属和空气界面上的激发对由入射波照射到金属光栅上引起的异常反射现象进行了解释。
1957年，Ritchie发现电子穿过金属薄片时存在“能量降低的”等离子体模式，第一次提出了“金属等离子体”的概念，这种“金属等离子体”可用于描述金属内部电子密度纵向波动。
从此，表面等离子体激元成为了一门表面科学，在相关领域得到越来越多的关注。
随后，Powell等人用实验证实了Ritchie的理论，而Stem等人也研究了“表面等离子共振”的条件。
1968年，Kretchmann和Otto各自利用衰减全反射（ATR）的方法证实存在光激发表面等离子共振现象。
1982年，Nylander和Liedberg在气体检测和生物传感领域中应用了SPR原理。
此后，SPR传感技术迅速发展，基于表面等离子体激元的SPR传感结构设计元器件也不断呈现，各种SPP器件在化学-生物传感等领域得到了广泛应用。
美科学家研制出史上最小的半导体激光器
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美科学家研制出史上最小的半导体激光器 美 国科学家宣称制作 出史上最小的半导体激光器。 这个纳米级组件产生的光束直径只有 ５ｍ，较一般激光器小了 １０ ｎ ０ 倍。这一创举有助多项应用的发展，诸如 以光而非 电来处理信 息的光 电脑（ ｔ ａｃｍ ｕ ｒ ｏ ｉ ｌｏ ｐｔ ） ｐｃ ｅ 、生物传感器与纳米光路等。 由于衍射的缘故，光通常无法聚焦到小于半波长的范围内。 然而，近年来科学家将光与
该团队的 目标是利用微型 Ｌ Ｄ制作显示器所需要的像素阵列， Ｅ 而不只是当背光源使用。 虽然 目前这项技术只制作 出红光显示器，但 Ｒ ｇｒ 计划制作出微型蓝光及绿光 Ｌ Ｄ，以达 ｏｅ ｓ Ｅ 成全彩显示。另一项有潜力的应用是白光照明， 目前正 由 Ｃ ｏＥ ｇ 公司发展。该团队也致 ｏ ｌｄ ｅ 力 于发 展可挠 式 红外光 或 Ｕ 发光 装置 ，期望 能 应用 于生 物 医学上 。 Ｖ
增大光吸收面积的宏观结构
增大光吸收面积的宏观结构一、引言光吸收是许多光学应用中的重要步骤，例如太阳能电池、光催化、光电子器件等。
为了提高这些设备的效率，需要增大它们的光吸收面积。
本文将介绍一些常见的增大光吸收面积的宏观结构。
二、微纳米结构微纳米结构是指尺寸在微米或纳米级别的结构，通常由周期性或随机排列的几何形状组成。
这些结构可以通过改变表面形貌来增大光吸收面积。
例如，在太阳能电池中，通过将表面覆盖上具有微米级别凹凸结构的反射层，可以使得入射光线反复折射，从而增加了太阳能电池对太阳辐射的吸收。
三、多孔材料多孔材料是指由许多小孔组成的材料。
它们具有较大的比表面积和较好的吸附性能，在许多领域都有广泛应用。
在光学应用中，多孔材料也可以作为增大光吸收面积的一种手段。
例如，在染料敏化太阳能电池中，通过将染料敏化层制成多孔结构，可以增大染料敏化层的表面积，从而提高太阳能电池的效率。
四、纳米线阵列纳米线阵列是由许多纳米级别粒子组成的一维结构。
它们具有较大的比表面积和优异的光学性能，在许多领域都有广泛应用。
在光学应用中，纳米线阵列也可以作为增大光吸收面积的一种手段。
例如，在太阳能电池中，通过制备纳米线阵列结构的阳极材料，可以增加太阳能电池对太阳辐射的吸收。
五、金属-半导体-金属结构金属-半导体-金属结构是由两个金属电极和一个半导体材料组成的结构。
它们具有良好的光学性能，在许多领域都有广泛应用。
在光学应用中，金属-半导体-金属结构也可以作为增大光吸收面积的一种手段。
例如，在太阳能电池中，通过制备金属-半导体-金属结构的反射层，可以增加太阳能电池对太阳辐射的吸收。
六、结论增大光吸收面积是提高光学设备效率的重要步骤。
本文介绍了一些常见的增大光吸收面积的宏观结构，包括微纳米结构、多孔材料、纳米线阵列和金属-半导体-金属结构。
这些结构在不同的应用中都有广泛的应用前景。
小如米粒便携式太赫兹激光器
与辐射计量仪以及医疗光电、安全系统和其他许多领域，都是必不可少的。
科研人员认为，用途最广泛的闪烁体之一，是具有高含量稀土离子的多组分玻璃，此外还有无机单晶体。
目前，无机单晶体的效率大大超过玻璃，但其缺点是价格极其高昂，成本极高且制造难度不等。
俄罗斯托木斯克理工大学与长春科技大学科研人员合作，从多组分玻璃中获得了闪烁体材料，其光输出约为目前常见的高锗酸铋晶体（Bi4Ge3O12）的60%。
俄罗斯托木斯克理工大学材料学系副教授达米尔·瓦利耶夫称：“多组分非结晶系统比稀土离子具有更高的可溶性，这有助于制造高透明度和耐湿度的光学材料。
相对于晶体类似物，我们的技术成果达到了总闪烁效率的63.9%，未来这类玻璃在光电子学中将得到更广泛的应用。
”达米尔·瓦利耶夫表示，研究人员在实验中所获得的数据未来可能用在高效辐射系统和电离辐射探测器的生产中，其中包括富有前景的高分辨率三维成像光纤探测器。
新技术的使用也将大大降低诸如医学计算机断层扫描等设备的成本。
小如米粒便携式太赫兹激光器最近，科学家研制出一种新型米粒大小的便携式太赫兹激光器，其工作温度为250K（-23℃），可用于饼干大小的插入式冷却器。
这项研究将推动太赫兹激光器在医学成像、通信、质量控制、安全和生物化学等诸多领域“大显身手”。
此前，基于芯片的紧凑型激光器已经攻克了从紫外线到红外线的大部分电磁频谱，使开发相关数字通信、条形码阅读器到激光指示器和打印机的技术成为可能。
但频谱的一个关键区域仍然未能突破——位于红外光和微波之间的太赫兹（THz）频率。
去年，苏黎世理工大学物理学家杰罗姆·法斯特带领的研究团队研制出一种太赫兹量子级联激光器（QCL），由上百层砷化镓和铝砷化镓交替组成，工作温度为210k（-63℃）。
这一发明被认为是弥合半导体电子和光子源之间所谓的“太赫兹间隙”的重大突破。
然而，它仍然需要笨重而昂贵的低温冷却器，苛刻的冷却条件将紧凑型太赫兹激光器的技术限制在了实验室环境中。
世界最小纳米激光发射器问世
世界最小纳米激光发射器问世
佚名
【期刊名称】《共产党员：下半月》
【年(卷),期】2012(000)009
【摘要】美国德克萨斯州立大学的物理学家与中国的同行合作，研制出了世界上
最小的半导体激光发射器。
研究者们介绍，要研制更快、更小、更节能的光子发射器，最关键的是要实现半导体激光器的微型化。
这项技术可应用于超级计算机芯片、高敏感度生物传感器、疾病的治疗与研究以及下一代通信技术的研发等多个领域。
普通的光电子器件利用纳米发射器产生光信号来传递信息，它们已具备替代传统电子电路的潜力。
但是，光电子器件的尺寸和性能却受到了“三维光学衍射极限”的限制。
【总页数】1页(P55-55)
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.4
【相关文献】
1.世界最小半导体激光发射器问世 [J],
2.世界最小纳米激光发射器问世 [J],
3.世界最小纳米激光器在美问世 [J],
4.世界最小纳米激光器在美问世 [J],
5.世界上最小纳米激光器在美国问世 [J],
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美研发环形激光传感器纳米粒子“粒粒在目”
美研发环形激光传感器纳米粒子“粒粒在目纳米粒子“粒粒在目”当科学研究深入到纳米领域，由于目标太小难以精确计量，会让实验变得难以控制。
日前，美国华盛顿大学科学家开发出一种比针尖还要小的环形激光传感器，能精确探测单个病毒、形成云的微尘颗粒以及空气中的污染物。
改变传感器中的“增益介质”，还能用于探测水中甚至血液中的微粒。
该研究发表在6月26日的《自然•纳米技术》网站上。
回音廊式激光传感器这种微型激光传感器属于一种回音廊式共振传感器，由硅玻璃制造。
工作原理就像英国圣保罗大教堂里著名的回音廊，一边的人对着廊壁说话，另一边的人就能听到。
但与回音廊不同的是，这种传感器共振的不是声波而是光波。
激光器由底座支起一个“频率衰减模”（环路中激光发射的模式或形状），两束激光以相同频率、相反方向围绕环形光路传播。
模场中有一个“短暂尾迹”透过环表面，探测着周边环绕的介质。
当一个微粒落在激光环上，就会使一个光模中的能量分散到另一个光模中，从而使两个光模的共振频率略有不同，使光模发生分裂，一束激光就分裂为频率不同的两束，将它们导入光电探测器，会由于频率的不同而产生一种“打击频率”，从而分别测得两束激光的频率。
“由于微型传感激光器是用溶胶的方法在硅晶片生产，增益介质很容易改变，所以能大量生产。
”论文第一作者、华盛顿大学圣路易斯分校电学与系统工程系研究生何丽娜（音译）说，“人们可以选择性地混合稀土离子，加入四乙氧基硅烷溶液、水或盐酸，加热它们直到变得黏稠，然后旋转覆盖在硅晶片上，退火后清除溶剂，就形成了完整的非结晶玻璃。
再用蚀刻方法把薄薄的玻璃膜制成硅光盘，在下面用硅柱支撑。
最后，通过激光退火处理，使粗糙的硅光盘变成光滑的环形共振腔。
” 主动共振胜于被动在早期的研究中，研究小组用普通的玻璃环作为波导，实验模分裂，并使入射光获得增益。
但这种环路是被动的，外部激光必须用昂贵的可调激光，才能涵盖检测模分裂所要求的频率范围。
新型共振传感器本身就是一个微型激光器，而不仅仅是外部激光的共振腔。
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47, 041401 (2010) ©2010 中国激光杂志社 doi: 10.3788/lop47.041401具有金属纳米颗粒结构的微小孔面发射激光器高建霞1 王岭娥1 宋国峰2()12063009; 100083河北理工大学信息学院，河北 唐山中国科学院半导体研究所纳米光电子实验室，北京 摘要 在普通850 nm 垂直腔面发射激光器基础上制备出带有金属纳米颗粒结构的微小孔径垂直腔面发射激光器。
当小孔和金属颗粒的直径分别为400 nm 和100 nm 时，其最大输出光功率达到0.5 mW 。
介绍了该器件的制备工艺，从实验和理论两方面验证了金属纳米颗粒结构激发局域表面等离子体，从而使输出光功率得到提高。
关键词 激光器；局域表面等离子体；金属纳米颗粒；输出光功率；时域有限差分法中图分类号 TN248.4 OCIS 140.39480 160.4236 文献标识码 ANanoaperture Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser withMetal Nano-ParticleGao Jianxia 1 Wang Ling ′e 1 Song Guofeng 212 , , , 063009, , , , 100083, ⎛⎞⎜⎜−⎝School of Information Hebei Polytechnic University Tangshan Hebei China Nano Optoelectronics Laboratory Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences Beijing China ⎟⎟⎠Abstract Nano-aperture vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) with metal nano-particle are fabricated based on common 850 nm VCSELs. When the diameters of the aperture and the metal nano-particle are 400 nm and 100 nm respectively, the maximum far-field output power reaches 0.5 mW. The fabrication process is introduced and the output power enhancement due to localized surface plasmon is also analyzed by experiment and theory.Key words lasers; localized surface plasmon; metal nano-particle; output power; finite-different time-domin1 引 言由于受到光学衍射的限制，传统的光存储技术能达到的存储密度有限。
因而，利用近场光存储实现超高密度信息存储已经得到越来越多的重视[1,2] 。
高质量近场光源是一个重要的研究方向。
在应用过程中，对于近场光源一个突出的问题就是实现高输出功率密度。
为了进一步改善和增强纳米光学研究和应用技术，近年来引入了表面等离子体(Surface plasmon, SP)调制技术,它是增强光学近场的一个有效的方法[3~6]，在光电集成方面具有巨大的潜力。
具有表面等离子体结构的纳米光电子器件将为近场光学的研究和应用开辟更广阔的前景。
本文作者[7]针对微小孔径垂直腔面发射激光器(NA-VCSEL)已经进行了大量深入的研究，为了进一步提高微小孔器件的输出光功率，本文展开了对异型孔径的研究。
介绍了具有金属纳米颗粒结构NA-VCSEL 的制备工艺，并从实验和理论两方面分析了金属纳米颗粒的透射增强作用。
收稿日期：2009-10-19; 收到修改稿日期：2009-10-27作者简介：高建霞(1979—)，女，博士，讲师，主要从事光学存储器件方面的研究。
E-mail: gjx79@2 器件的制备具有金属纳米颗粒结构的NA-VCSEL是在普通850 nm波长VCSEL基础上制备得到的。
具体的工艺步骤如下：首先，在850 nm波长VCSEL的出光腔面上用电子回旋共振等离子体化学气相沉积法淀积一层SiO2和SiN x的增透膜。
然后用磁控溅射法镀一层金属膜，材料为Ti/Au。
这里Ti的作用主要是提高表面的粘附性，使金层不易剥落；Au的作用是阻挡住激光器出光腔面正常的输出光。
最后在金属膜上利用聚焦离子束(FIB)刻蚀技术刻蚀出一个具有纳米金属颗粒的微小孔。
图1为具有金属纳米颗粒结构NA-VCSEL 的扫描电子显微镜(SEM)形貌图，其中小孔和金属纳米颗粒的直径分别为400 nm和100 nm。
图1 具有金属纳米颗粒结构的NA-VCSEL的SEM形貌图Fig.1 SEM graph of an aperture with a metal nano-particle3 实验结果与分析图2为测试微小孔器件远场输出光功率的简易装置图。
图3为制备得到的具有金属纳米颗粒的微小孔径垂直腔面发射激光器激射的L-I-V曲线，从图可以看出其最大输出光功率达到0.5 mW。
对于没有金属颗粒结构的相同尺寸的微小孔，可达到的最大输出光功率为0.3 mW[8]，这表明金属纳米颗粒结构提高了微小孔器件的输出光功率。
图2 NA-VCSEL远场输出光功率测试系统装置图图3 具有金属纳米颗粒的NA-VCSEL的L-I-V特性曲线Fig.2 NA-VCSEL far-field power measurement setup Fig.3 L-I-V characteristics of NA-VCSEL with a Au nano-particle in thenanoaperture 为了进一步验证金属纳米颗粒对光场的透射增强作用，利用时域有限差分算法，建立二维器件模型对该结构进行模拟研究，得到单个圆孔(直径400 nm)和具有金属纳米颗粒(小孔和金属颗粒的直径分别为400 nm和100 nm)时在XZ平面的稳态光场分布，结果分别如图4(a)和(b)所示。
可以看出，当圆孔中有金属纳米颗粒时，其附近的光场得到了增强。
除了平面的表面等离子体，在这种金属颗粒或真空颗粒的其他一些拓扑结构中，需要考虑局域化的表面等离子体激发。
这种在有界限的几何结构中激发的表面等离子体称为局域表面等离子体[9,10]。
纳米金属颗粒对微小孔器件的光场透射增强作用正是由于在金属颗粒附近产生了局域的表面等离子体效应。
图4 圆孔(a)和有金属颗粒(b)在XZ平面的稳态光场分布Fig.4 Static light field distribution in XZ plane through a circle aperture(a) and through an aperture with Au nano-particle(b)4 结论在普通850 nm垂直腔面发射激光器基础上制备出带有金属纳米颗粒的微小孔径垂直腔面发射激光器。
当小孔直径为400 nm，金属颗粒为100 nm时，其最大输出光功率达到0.5 mW。
介绍了该器件的制备工艺，并从实验和理论两方面验证了该结构对光场的透射增强作用。
在今后的研究工作中如能够基于近场光学的理论和探测方法，对近场光学光场的分布、纳米局域光场和物质的相互作用有更加深入的理解，则可设计出性能更加优异的异型孔径。
致谢：感谢北京大学的徐军老师在器件制备过程中提供的帮助。
参考文献1 M. Ohtsu. Near-field Nano/Atom Optics & Technology[M]. Tokyo: Springer-Verlag, 1998. 1~72 E. Betzig, J. K. Trautman, R. Wolfe et al.. Near-field magneto-optics and high density data storage[J]. Appl. Phys. Lett., 1992,61(2): 142~1453 J. Hashizume, F. Koyama. Plasmon-enhancement of optical near-field of metal nanoaperture surface-emitting laser[J]. Appl.Phys. Lett., 2004, 84(17): 3226~32284 T. Thio, K. M. Pellerin, R. A. Linke et al.. Enhanced light transmission through a single subwavelength aperture[J]. Opt. Lett.,2001, 26(24): 1972~19745 Bin Wu, Qingkang Wang. Design optimization of highly sensitive LSPR enhanced surface plasmon resonance biosensors withnanoholes[J]. Chin. Opt. Lett., 2008, 6(5): 323～3266 Zhang Zongsuo, Cheng Mutian, Liu Shaoding et al.. Scattering properties of periodic arrays of nanoholes in thin gold film[J].Laser & Optoelectronics Progress, 2008, 45(8): 54~58张宗锁, 程木田, 刘绍鼎等. 带有周期排列纳米孔结构金薄膜的散射光学性质[J]. 激光与光电子学进展，2008, 45(8): 54~587 Gao Jianxia, Song Guofeng, Gan Qiaoqiang et al.. Surface plasmon modulated nano-aperture vertical-cavity surface-emittinglaser[J]. Laser Phys. Lett., 2007, 4(3): 234~2378 Gao Jianxia, Song Guofeng, Gan Qiaoqiang et al.. Fabrication and characteristics analysis of nano-aperture vertical-cavitysurface-emitting laser[J]. Chinese J. Semiconductors, 2007, 28(2): 265~268高建霞, 宋国峰, 甘巧强等. 纳米孔径垂直腔面发射激光器的制备及特性[J]. 半导体学报, 2007, 28(2): 265~2689 Jiro Haashizume, Fumio Koyama. Plasmon enhanced optical near-field probing of metal nanoaperture surface-emitting laser[J]Opt. Express, 2004, 12(25): 6391~639610 Anatoly V. Zayats, Igor I. Smolyaninov. Near-field photonics: surface plasmon polaritons and localized surface plasmons[J]. J.Opt. A, 2003, 5(4): S16~S50。