专利名称：近场光学纳米孔径激光器的利记博彩app
技术领域：
本发明属于近场光学、纳米技术领域，特别涉及纳米孔径激光器的设计。
近年提出了纳米孔径激光器，它是一种基于近场光学原理设计的具有纳米孔径的半导体固体激光器，是在现有的商用半导体固体激光器的出射表面镀金属膜层并在其上开一具有纳米尺寸的出射孔径。这种作为近场光学系统中的有源探针的纳米孔径激光器具有明显的优点，其输出光功率较具有相同小孔尺寸的镀金属膜光纤探针提高104倍，通光效率超过1/1000，从而提高了信噪比和数据传输速度。但目前实验中所采用的纳米孔径通常为方形和圆形，直径约为50～100nm，输出功率约为微瓦量级，尚不能满足实际使用的要求。
本发明提出的一种近场光学纳米孔径激光器，包括一半导体固体激光器，在该激光器的出射表面上镀有能形成纳米孔径的材料膜层，在该膜层上开有一纳米尺寸的出射孔径，其特征在于，所说的纳米孔径激光器的纳米孔径形状为匚形、工形、C形、半圆环形等等之一种异形孔径。
所说的纳米孔径轮廓纵向尺寸可为入射光波长的0.55/2～1/2。
本发明的纳米孔径激光器的膜层材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成纳米孔径的材料，其膜层厚度为50～100纳米。
本发明的工作原理是基于近场光学的局域场增强效应。具体表现为所设计的异形纳米孔径激光器的通光效率(为全部输出功率与孔径范围内的全部入射光功率之比)大于1，这表明一定有孔径几何尺寸之外的能量通过了孔径，增强了输出功率。这种近场光学局域场增强效应的产生主要在于当光束传播至近场距离，受到纳米孔径的强烈作用，其光强分布有所改变，在孔径区域大大增强；当光束进入孔径后更是受到金属孔径边缘、孔壁的强烈作用；当光束从孔径出射时同样受到边界条件突变的作用而表现为倏逝场的增强并随距离增加而迅速衰减。这种增强效应被强烈地约束在近场范围内。这个激励增强的过程表明在近场范围内入射光束与纳米孔径会发生很强的相互作用，无论是入射前还是出射后。这种作用通常表现为相互作用，即孔径对光的分布发生影响，局域场中产生增强效应；同时光束的能量对孔径的金属层产生激励形成表面等离子振荡，反过来进一步增强了局域场强。上述的场增强效应受金属膜层的光学特性及厚度、孔径的几何形状及尺寸、金属膜表面等离子效应等的影响。其中，贡献最大的归结为偏振增强效应和共振增强效应。偏振增强效应与边界条件密切相关，实际上是一种边界效应。其表现为不同的偏振模式将会影响近场光斑的分布及通光效率，通光效率的提高强烈地依赖于与入射光偏振方向垂直的孔径尺寸。共振增强效应即是孔径散射场的干涉加强效应，与孔径的几何形状及孔径尺寸关系密切。
本发明的特点本发明的异形纳米孔径激光器的通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸的情况下较普通的方形孔或圆形孔纳米孔径激光器提高了103～104倍，所得到的通光效率大于1。其纳米孔径轮廓纵向尺寸为入射光波长的1/3时通光效率达到最大值，而光斑尺寸变化不大。同时，在具有相同近场光斑尺寸的情况下，其异形孔尺寸要大于普通的方形孔或圆形孔尺寸，而使得孔径制作更容易，对制作工艺的要求有所降低。
本发明的这种纳米孔径激光器可以作为纳米近场光学有源探针用于近场光学成像、光谱探测、数据存储、光刻、光学操作等。基于集成光学技术能够采用纳米孔径激光器制成新型光学存储读写头或近场光学显微镜的有源光学探针。
图2为无限大金属屏上的小孔的计算模型示意图。
图3为本发明的实施例1具有匚形纳米孔径几何形状示意图。
图4为本实施例1的激光器出射光各个方向电场分量的分布示意图。
图5为本发明的实施例2具有工形纳米孔径几何形状示意图。
图6为本实施例2的激光器出射光各个方向电场分量的分布示意图。
对于纳米孔径激光器的近场光场分布，可采用图2所示的无限大金属屏上的小孔的计算模型，利用时域有限差分方法进行仿真计算。计算中假设激光器谐振腔(图中省略)中振荡的光束呈现平行光8特性，只有部分光束能够透过激光器的光输出端面上的金属膜微孔10。以理想导体模拟金属膜层9，选光的真空波长为600nm的无限大均匀偏振平面波沿小孔的轴向入射，入射面为xoz平面。电场的各分量分别为Ey＝Ez＝0，Ex＝1V/m，即入射光为TM模，只有沿x方向的分量。将所计算的三维空间划分为Nx×Ny×Nz个网格单元阵列，每个单元在座标轴上的长度分别为Δx、Δy、Δz，取Δx＝Δy＝Δz＝5nm。计算空间为Nx＝Ny＝120、Nz＝60。
本发明的实施例1为匚形孔纳米孔径激光器，其孔径截面图及几何尺寸如图3所示。其中，11为光出射表面上的金膜，12为匚形孔。激光器工作波长为600nm时，按优化设计，匚形孔的几何尺寸描述如下，其孔径轮廓纵向尺寸L为210nm，L1、L2、L3均为70nm，H为140nm。匚形孔的金膜层厚度为100nm。采用图2所示的计算模型，利用时域有限差分方法进行仿真计算，可获得在距离孔径膜层表面50nm的平面上匚形孔纳米孔径激光器光场的各个方向电场分量的分布分别如图4(a)(b)(c)(d)所示。图4(a)(b)(c)(d)分别为x、y、z方向分量|Ex|2、|Ey|2、|Ez|2以及总场分布|Et|2。从这几幅图可以很明显的看出在近场区域内匚形孔纳米孔径激光器的分布呈现出下述特征(1)|Ey|2远远小于|Et|2，主要分布在向内凹的那条边界的两端；呈现出对称的两光斑分布。(2)|Ez|2分量导致了总电场在测量平面内出现边缘增强的场分布特性。|Ez|2分量产生于匚形孔径上垂直x方向的边沿，在横截面内|Ez|2形成两个独立的对称于y轴的异形光斑，在孔径边缘表现出很明显的场增强效应，其大小比x方向的分量稍小一些。(3)在总场|Et|2中，孔径范围内的分布以|Ex|2为主，但|Ez|2也会对总场分布形状产生较大的影响。从z＝50nm平面内的分布可看出，此时总场的分布为一椭圆光斑，由于受z向增强的影响，不仅总强度有所提高，而且总场的分布与|Ex|2的分布相比，在x方向稍宽一些。得到匚形孔纳米孔径激光器在距离孔径膜层表面50nm的平面上光斑的x、y方向上光强半高宽分别为95nm、80nm，光强极大值为35.4，通光效率为2.6011。可以看出，匚形孔的光强极大值得到了极大的增强，同时通光效率提高了很多，在具有相同近场光斑尺寸的情况下较普通的方形孔或圆孔纳米孔径激光器提高了103～104倍，而光斑尺寸变化不大。匚形孔的通光效率大于1，这表明透过小孔的全部光功率超出小孔物理面积内的全部入射光功率，说明小孔物理边界以外区域的光能量也能透过小孔。
实施例二为工形孔纳米孔径激光器，其孔径截面图及几何尺寸如图5所示。其中，13为光出射表面上的铝膜，14为工形孔。激光器工作波长为600nm时，按优化设计，工形孔的几何尺寸描述如下，其孔径轮廓纵向尺寸L为190nm，L1、L2均为60nm，H为205nm，H1为65nm，H2为70nm。工形孔对称于x轴，但非严格对称于y轴。工形孔的铝膜层厚度为70nm。采用图2所示的计算模型，利用时域有限差分方法进行仿真计算，可获得在距离孔径膜层表面50nm的平面上工形孔纳米孔径激光器光场的各个方向电场分量的分布分别如图6(a)(b)(c)(d)所示。图6(a)(b)(c)(d)分别为x、y、z方向分量|Ex|2、|Ey|2、|Ez|2以及总场分布|Et|2。从这几幅图可以很明显的看出在近场区域内工形孔纳米孔径激光器的分布呈现出下述特征(1)|Ey|2远远小于|Et|2，主要分布在向内凹的两条边界的四个端点处；呈现出对称于x轴四光斑分布。(2)|Ez|2分量导致了总电场在测量平面内出现边缘增强的场分布特性。|Ez|2分量产生于工形孔径上垂直x方向的边沿，在横截面内|Ez|2形成两个独立的非严格对称于y轴的光斑(由于工形孔非严格对称于y轴)，在孔径边缘表现出很明显的场增强效应，其大小比x方向的分量稍小一些。(3)在总场|Et|2中，孔径范围内的分布以|Ex|2为主，但|Ez|2也会对总场分布形状产生较大的影响。从z＝50nm平面内的分布可看出，此时总场的分布为一椭圆光斑，由于受z向增强的影响，不仅总强度有所提高，而且总场的分布与|Ex|2的分布相比，在x方向稍宽一些。得到工形孔纳米孔径激光器在距离孔径膜层表面50nm的平面上光斑的x、y方向上光强半高宽分别为110nm、70nm，光强极大值为13.5134，通光效率为2.6429。可以看出，工形孔的光强极大值得到了极大的增强，同时通光效率提高了很多，与匚形孔一样在具有相同近场光斑尺寸的情况下较普通的方形孔或圆孔纳米孔径激光器提高了103～104倍，而光斑尺寸变化不大。工形孔的通光效率大于1，这表明透过小孔的全部光功率超出小孔物理面积内的全部入射光功率，说明小孔物理边界以外区域的光能量也能透过小孔。
权利要求
1.一种近场光学纳米孔径激光器，包括一半导体固体激光器，在该激光器的出射表面上镀有能形成纳米孔径的材料膜层，在该膜层上开有一纳米尺寸的出射孔径，其特征在于，所说的纳米孔径激光器的纳米孔径形状为匚形、工形、C形、半圆环形之任一种异形孔径。
2.如权利要求1所述的近场光学纳米孔径激光器，其特征在于，所说的纳米孔径轮廓纵向尺寸为入射光波长的0.55/2～1/2。
3.如权利要求1所述的近场光学纳米孔径激光器，其特征在于，所说的膜层材料包括金、铝、银金属材料，其膜层厚度为50～100纳米。
全文摘要
本发明属于近场光学、纳米技术领域,包括一半导体固体激光器,在该激光器的出射表面上镀有能形成纳米孔径的材料膜层,在该膜层上开有一纳米尺寸的出射孔径,所说的纳米孔径激光器的纳米孔径形状为匚形、工形、C形、半圆环形等等之一种异形孔径。本发明对参数进行优化设计后,其通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸的情况下较普通的方形孔或圆形孔纳米孔径激光器提高了10
文档编号H01S5/00GK1349292SQ0113485
公开日2002年5月15日 申请日期2001年11月16日 优先权日2001年11月16日
发明者王佳, 徐铁军, 孙利群, 许吉英, 田芊 申请人:清华大学