新型金属腔激光器设计与研究

刘善春, 袁洪学, 李 鲤

(1. 兰州城市学院,培黎工程技术学院, 甘肃 兰州 730070；2. 华东理工大学 校长办公室, 上海 200237)

新型金属腔激光器设计与研究

刘善春1, 袁洪学2, 李 鲤1

(1. 兰州城市学院,培黎工程技术学院, 甘肃 兰州 730070；2. 华东理工大学 校长办公室, 上海 200237)

采用随机介质ZnO颗粒结合金属-介质界面传播的SP(表面等离子)波补偿损耗,设计实现了一种石英-金膜-混合ZnO染料的金属腔激光器。从散射和光增益两方面证明了随机激光的存在,在发射谱中观察到了带宽小于1 nm的尖峰。分析结果发现,金属层对于随机激光的发生没有起到实质性作用,结构的受激面积阈值和激发阈值的数值分析结果符合随机激光原理。该研究对于光通信和光电集成的发展有一定的理论和实际意义。

金属腔激光器； 光通信； 补偿损耗； 随机激光

光子局域化是伴随着电子局域化发展起来的,在随机激光领域光子局域化形成的微腔是形成强激光的基础[1]。上世纪90年代之前,随机介质的弱局域被认为不会形成强光子局域,直到以西北大学Cao团队为代表的研究人员,通过光子局域理论重新探讨分析,实现了在光纤中随机介质强光子局域测定,才使得金属腔的激光器研究成为可能。2009年内Nature上热点报道的世界最小激光器使得这一领域快速发展,与此同时金属-介质界面出现的瞬时电磁场导致的表面等离子体(SP)波也成为了研究热点[2-3]。SP波的出现让人们看到了光电集成微型化的可能,即其提供了将光限定到亚波长光的尺寸的条件[4]。然而SP器件严重受限于金属较高的自身损耗,使其发展进入了瓶颈期,且其对于光源的需求越来越紧迫。经过几年的发展,研究人员发现将随机激光的光子局域化结合掺杂聚合物作为增益介质用来补偿SP波损耗,能够实现一类新的金属腔激光器[5-6]。这类激光器,能够通过随机介质的光反馈实现SP波的激光发射。基于上述背景,本文引入随机强局域化颗粒ZnO设计了一种新型的金属腔激光器。

1 新型激光器结构和传播分析

1.1 新型激光器

新型金属腔激光器结构见图1,顶层采用ZnO颗粒和PMMA介质层,中间采用金属薄膜层,底层是石英基底介质层。泵浦光采用530 nm激光激发。由SP波形成原理可知，在金属薄膜层会激发表面等离子和出现光放大。传播的SP波由于受到ZnO颗粒的强随机光散射,能补偿金属损耗。ZnO的光增益放大在克服散射和吸收损耗的同时,能提供相干光反馈,这样在ZnO混合介质层一侧能够观察到强随机激光。

图1 激光器结构

图2(a)给出了随机激光形成的谐振腔的相干背散射传播机理,相干背散射是因为光在多重散射机制中出现的自相干现象,在这一过程会发生光增强效应。本文设计的金属腔激光器是由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和 R6G构成的染料提供增益，为SP波在580 nm左右提供光放大。使用PMMA是因为它的折射率接近石英衬底(即折射率大约为1.55),且和R6G染料分子可提供在约580 nm处的光增益。另外，金属薄膜在580 nm的波长下光吸收损害相对较低,所以选它用作金属层来传播SP波。采用ZnO纳米颗粒也是因为其在580 nm左右具有非常低的吸收率,且ZnO纳米颗粒与PMMA之间折射率的差异能够提供非常强的光散射。必须指出的是,激光散射的方向主要都平行于金属层，这是因为纳米ZnO粉末掺杂在PMMA中可能导致散射光的扩散,防止发散到表面,并且与空气接触的PMMA层可以通过全内反射将散射光全部聚集介质层。此外,由于介质层的折射率匹配,SP波只能在2个金属-介质界面处传播。

图2 随机激光形成机理和多重散射示意图

1.2 光子局域化程度分析

通过光在随机介质的前期研究可知,可以假设ZnO颗粒是没有吸收的,这样可得颗粒的相干背散射的电场E表达式为

(1)

进而得到平均光强度《I》可以表示为

(2)

如果只分析其中的一次散射过程,则可以得到入射光与反射光的相位差满足以下关系:

(3)

式中，r1、rn代表入射光第一次位置点和第n次(或称为最后)的散射位置点,ki是入射光的波矢,kf是出射光的波矢。

如果入射光和出射光波矢之和为0,这时会出现干涉显著增强情况,出现发射峰,实现相干背散射。通过扩散近似,这时光子局域化的强度表示为

(4)

为了进一步明确本文设计结构的增益局域化特性,分别将结构自上而下设置为区域Ⅰ、区域Ⅱ和区域Ⅰ+Ⅱ,研究ZnO颗粒增益补偿实现激光特性。这里考虑ZnO颗粒色散情况,其介电常数如下描述:

(5)

式中，ω为角频率,εb为染料介电常数,ωg为ZnO颗粒增益的谐振中心角频率,γg为耗散的碰撞频率,χ0为耦合强度。

为方便起见,定义谐振频率υg=ωg/2π。这时可以使用εb的负虚部来描述ZnO颗粒增益,增益系数可定义为

(6)

式中：c0为真空中的光速；α为增益系数，cm-1,αh定义为α和αg=α(ωg)中的最大值。

假设εb=2.25,会发现εb仅仅决定了增益介质中SP波的光学路径长度,因此对于不同的εb可以通过结合设计来获得相同的光学路径,从而获得相同的结果。同理,γg=1.26×1014rad/s意味着增益材料发射峰约150nm处的一个半高全宽(FWHM),这对工作于红外波长的材料也可行。

2 结构分析

2.1ZnO增益效果分析

首先对比分析不同的相对ZnO颗粒尺度参数(2πr/λ)下光子局域化强度分布,相对尺度参数a有4、8、12和16。从图3中可以看出，相对尺度增大会导致局域化减小。

图3 相对尺度参数下光子局域化对比

为了进一步明确ZnO颗粒无序运动带来的局域化特点,图4给出了FDTD对比分析ZnO在染料质量分数分别为25%和35%的电场强度。由图中情况可以发现,当ZnO浓度更高时电场强度会有明显的提高,光子相互作用更好。

图4 FDTD对比分析ZnO在染料质量分数不同的电场强度

2.2 出射激光分析

采用波长530 nm、脉宽100 ps、重复频率12 Hz的脉冲激光作为泵浦源,ZnO颗粒质量分数35%,相对尺度a=10,进行出射激光的对比分析。图5绘制了带结构有效折射率与波长的关系曲线。从图中可以发现,增加泵浦强度激光阈值也随之增大。在高泵浦强度下可以在585 nm左右出现一些宽度小于1 nm的尖峰。这是由于这一波长附近ZnO颗粒的强散射形成了光散射回路,增强了光强。此外,随光泵强度增加,发射谱中尖峰数目增加,这也是随机激光发射的一个重要特点。

图5 峰值分析

图6 参数分析

3 结语

设计的新型金属腔激光器,从散射和光增益2方面证明了随机激光辐射的存在。在530 nm光激发下,在585 nm处可以观察到尖峰。另外,尖峰的数量随着泵浦强度的增加而增加,而且得到的受激面积阈值和激发阈值的结果也符合随机激光原理,证明了设计的腔可以激发随机激光。

References)

[1] 徐鹏,杨苏辉,赵长明,等.太阳光抽运激光器抽运系统优化[J]. 光学学报,2013(1):148-152.

[2] 魏林,李耀耀,李爱珍,等.腔面镀膜分布反馈量子级联激光器[J]. 功能材料与器件学报,2009(3):233-237.

[3] 付建国. 近红外波段的金属纳米腔激光器[J]. 光机电信息,2009(11):13-16.

[4] 毛飞跃,龚威,李又平,等. 转流二氧化碳激光器结构和增益计算[J]. 武汉大学学报(工学版),2008(4):111-116.

[5] 李再光,龚威,李又平,等. 旋流二氧化碳激光器腔内增益分布的改进[J]. 激光与红外,2007(11):1156-1160.

[6] 康智慧,王铁军,张洪志,等. 被动Q调制Er∶Cr∶YSGG固体激光器[J]. 中国激光,2006(12):1654.

Research and design of new metal cavity laser

Liu Shanchun1, Yuan Hongxue2, Li Li1

(1. Bailie School of Engineering and Technology ,Lanzhou City University,Lanzhou 730070, China； 2. President’s Office, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

By using the combination of random medium ZnO particles with the SP (surface plasma) wave compensation loss of the metal-medium interface transmission,a metal cavity laser of quartz-gold film-mixed ZnO dye is designed and realized.The existence of random laser is proved from the two aspects of scattering and optical gain, and the peak of the bandwidth less than 1nm is observed in the emission spectrum.The analysis results show that the metal layer does not play a substantial role in the occurrence of random laser and the numerical analysis results of the stimulated area threshold value and excitation threshold value of the structure are in accordance with the principle of random laser. The research has some theoretical and practical significance for the development of optical communication and optoelectronic integration.

metal cavity laser; optical communication; compensation loss; random laser

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.020

2016-09-06

国家自然科学基金项目(60377002)

刘善春(1966—)，女，山东平原，工程硕士，副教授，主要研究方向光通信集成.

E-mail：jingxiaojuan902@163.com

TN248

A

1002-4956(2017)3-0078-04