横纵模式可控的表面等离子体激光器

Conventional semiconductor lasers suffer from the scale of the diffraction limit. Therefore, the scales of the lasers cannot be miniaturized. Lasers based on the Surface Plasmon Polaritons (SPPs) have attracted great attention as they can operate at a deep sub-wavelength, even nanometer scale. However, previous SPP lasers researches focused on the longitudinal mode control, and referred little to the transverse mode control. The fundamental reason lies in the difficulty and complication of reflection mirrors design using the conventional design methodology. Yet, it is not easy to fully manipulate the modal profile, including both the longitudinal mode and the transverse mode, of SPP lasers. The project intends to use the surface electromagnetic wave holography (SWH) methodology to design and fabricate a novel type of SPP laser with full transverse and longitudinal mode selection and control. The SPP laser works at a wavelength of about 1064 nm and supports the fundamental and first-order transverse modes of Gaussian mode beam with controllable longitudinal modes, respectively. The research includes: (1) Design the groove-pattern morphology of the SPP microcavity supporting fundamental Gaussian mode and first-order Gaussian mode; (2) Carry out numerical simulation by using the three-dimensional (3D) fnite-difference time-domain (FDTD) method to obtain the parameters of grooves which will maximize the SPP intensity; (3) Set up the experimental optical system and achieve 1064 nm-wavelength output under the optical pumping at a wavelength of 808 nm. The realization of SPP laser with full transverse and longitudinal mode selection can satisfy highly diversified and flexible demands.

传统半导体激光器由于存在衍射极限难以实现微小化。基于表面等离激元(surface plasmon polaritons, SPPs)的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射，引起广泛的研究兴趣。然而以往的SPP激光器研究重点在于纵模的调控，对横模的调控研究较少。根本原因在于传统方法设计激光腔的反射镜非常复杂。如何充分地调控模式形态，包括纵模和横模，实现模式可调的SPP激光器是个难以跨越的障碍。本项目拟利用表面波全息术，设计和制备出激射波长为1064nm，横模分别为零阶高斯模式以及一阶高斯模式的SPP激光器。研究内容包括：(1)设计能支持零阶和一阶高斯模式的等离子体微腔；(2)利用有限时域差分法，计算使SPP模电场强度最大的凹槽参数；(3)搭建实验光路，在波长为808nm的激光泵浦下，实现1064nm的激光输出。横纵模式可控的SPP激光器可满足越来越多样化且灵活化的需要。

传统半导体激光器由于存在衍射极限难以实现微小化。基于表面等离激元(surface plasmon polaritons, SPPs)的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射，引起广泛的研究兴趣。然而以往的SPP激光器研究重点在于纵模的调控，对横模的调控研究较少。根本原因在于传统方法设计激光腔的反射镜非常复杂。如何充分地调控模式形态，包括纵模和横模，实现模式可调的SPP激光器是个难以跨越的障碍。本项目拟利用表面波全息术，设计和制备出激射波长为1064nm，横模分别为零阶高斯模式以及一阶高斯模式的SPP激光器。研究内容包括：(1)设计能支持零阶和一阶高斯模式的等离子体微腔；(2)利用有限时域差分法，计算使SPP模电场强度最大的凹槽参数；(3)搭建实验光路，在波长为808nm的激光泵浦下，实现1064nm的激光输出。横纵模式可控的SPP激光器可满足越来越多样化且灵活化的需要。为实现等离子体激光器，首先深入分析光与金属纳米颗粒相互作用消光谱中每个模式的物理机制。我们对 90nm 银立方纳米颗粒在载波包络相位（carrier envelope phase，CEP）锁定的超短激光脉冲作用下的消光谱进行了分析，发现五个局域化表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）模式被激发出来。我们分别从纳米颗粒不同位置的电荷分布情况以及偶极子和四极子分量的贡献两方面来探讨各个模式形成的物理机制。结果表明短波共振模式来源于分布在颗粒面上的电荷，而长波共振模式则由分布在立方体顶角上的电荷贡献而来。而分布在立方体棱上的电荷激发出的共振模式波长处于前两者模式中间，其他模式由分布在面、棱、角的电荷共同作用而来。改变超短脉冲的CEP，一些模式可以被严重的抑制，特别是低消光-高场增强共振模式。这些发现证明CEP可有力地调控 LSPR 模式，而这种调控手段可用于等离子体激光器的研制与调控。