Решетка дипольных нанолазеров


 


Владельцы патента RU 2569050:

Общество с ограниченной ответственностью "Гарант" (ООО "Гарант") (RU)

Изобретение относится к решеткам дипольных нанолазеров. Устройство включает в себя подложку, на которой находится активный слой, прозрачный проводящий слой, прозрачный диэлектрический слой, металлические наночастицы-наноантенны. Причем наноантенны вытянуты - один размер превосходит два других. Электромагнитной связи эмиттеров активного слоя с решеткой наноантенн обеспечивается подбором оптимального расстояния между активным слоем и наноантеннами. Для генерации излучения используется инжекционный тип накачки. Технический результат заключается в повышении КПД, реализации непрерывного режима, обеспечении узких линий генерации, уменьшении размеров устройства, повышении его надежности, снижении пороговой мощности накачки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к полупроводниковым лазерам, а именно к решеткам дипольных нанолазеров, и может быть использовано в системах записи, считывания и обработки информации.

Известна решетка нанолазеров [W. Zhou et al. "Lasing action in strongly coupled plasmonic nanocavity arrays" Nature Nanotechnology 8, 506-511 (2013)], состоящая из двумерной решетки наночастиц золота - наноантенн, размещенных на стеклянной подложке в активной среде - слое полиуретана с молекулами красителя IR-140. Это устройство принято за прототип. Решетка состоит из наночастиц диаметром d=130 нм, высотой h=60 нм, размещенных в узлах квадратной сетки с периодом 600 нм. В устройстве молекулы красителя активной среды оптически возбуждались фемтосекундным лазером с длиной волны излучения 800 нм, и решетка наночастиц с молекулами красителя генерировала лазерное излучение на длине волны около λ=913 нм.

Главным недостатком указанного устройства являются высокие потери мощности накачки, возникающие из-за высокой, сопоставимой со скоростью лазерного излучения, скоростью радиационных потерь в нелазерные моды излучения наночастиц. Большие потери мощности накачки являются причиной других недостатков прототипа, затрудняющих его практическое использование: низкой плотности мощности и спектральной плотности лазерного излучения, невозможности работы в непрерывном режиме генерации, невозможности использования малогабаритной, надежной и удобной электрической накачки током инжекции и, как следствие, сложность и большие размеры прототипа, включающего систему накачки - фемтосекундный лазер; малый (менее 1%) КПД прототипа. Указанные недостатки обусловлены использованием в устройстве-прототипе цилиндрических наночастиц, для которых скорость радиационных потерь (спонтанного излучения) в одну из нелазерных мод высока и сопоставима со скоростью лазерной генерации вблизи порога. Высокие радиационные потери активной среды обуславливают низкий внутренний КПД прототипа: потери энергии, доведенной до наночастиц, заведомо превышают 75%, так как более половины энергии идет в нелазерные моды, а не менее половины оставшейся энергии поглощается в частице. Внутренний КПД прототипа, таким образом, составляет менее 25%, что не позволяет использовать в нем электрическую накачку, получать непрерывный режим генерации и обуславливает другие недостатки прототипа.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД решетки дипольных нанолазеров, реализация непрерывного режима, достижение более узкого спектра генерации, уменьшение размеров устройства, повышение его надежности, снижение пороговой мощности накачки, возможность использования в качестве активной среды полупроводниковых материалов, накачиваемых током инжекции.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой решетке дипольных нанолазеров, включающей подложку, на которой находится активный слой, металлические наночастицы-наноантенны, локализованный плазмонный резонанс которых совпадает с оптическим резонансом активного слоя, подложка и активный слой выполнены из полупроводникового материала, на активный слой нанесен прозрачный проводящий слой и слой наночастиц-наноантенн, выполненных вытянутыми так, что их продольный размер в 1.5-4 раза превышает их поперечные размеры, и расположенных вдоль прямых, параллельных их большим измерениям, на подложку со стороны, противоположной активному слою, нанесен металлический электрический контакт, расстояние между активным слоем и слоем наночастиц-наноантенн составляет от 0.1 до 1 большего размера наноантенны.

Указанный технический результат достигается также тем, что между прозрачным проводящим слоем и слоем наноантенн дополнительно нанесен прозрачный диэлектрический слой.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве источника накачки используют источник тока, обеспечивающий плотность тока между электрическим контактом, нанесенным на подложку со стороны, противоположной активному слою, и прозрачным проводящим слоем 1-10 кА/см2.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве прозрачного проводящего слоя используют легированный оксидом олова In2O3 или легированные ZnO и TiO2.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве полупроводникового материала используют материалы из групп: прямозонные соединения типа AIIIBV, AIIBIV, AIVBIV, гетероструктуры: GaxAl1-xAs/GaAs, GaxIn1-xAsyP1-y/InP, GaxAl1-xAs /InP, GaxAl1-xAsyP1-y / GaxAl1-xPx, GaN/AlxGa1-xN.

Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, где: 1 - полупроводниковый кристалл; 2 - активный слой; 3 - прозрачный проводящий слой (верхний электроконтакт); 4 - слой металла (нижний электроконтакт); 5 - прозрачный диэлектрический слой; 6 - металлическая наночастица-антенна (наноантенна); 7 - электромагнитное поле, с помощью которого активный слой 2 взаимодействует с наноантеннами 6; 8 - источник тока накачки; 9 - электромагнитное излучение, генерируемое РДНЛ.

Предлагаемая решетка дипольных нанолазеров (РДНЛ) (фиг. 1) включает подложку, выполненную из полупроводникового кристалла 1, вблизи (на расстоянии от единиц до десятков нанометров) одной из поверхностей которого расположен активный, то есть способный резонансно излучать электромагнитное поле, слой 2, включающий эмиттеры, например, квантовые точки или квантовые ямы или гетеропереход или объемный p-n-переход носителей заряда в полупроводнике; прозрачный проводящий слой 3 толщиной от нескольких до десятков нанометров; металлический электрический контакт 4, нанесенный на подложку 1 со стороны, противоположной активному слою 2; поверх проводящего слоя 3 возможно нанесение прозрачного диэлектрического слоя 5, например полимерной пленки толщиной 1-10 нм; на лицевую поверхность РДНЛ упорядоченно, например параллельно друг другу, с центрами в узлах прямоугольной решетки нанесены металлические наночастицы-наноантенны 6, выполненные, например, из серебра. Один из размеров наноантенн (продольный b||) превышает два других (поперечных b) в 1.5-4 раза, меньшие размеры b наноантенн составляют от 10 до 100 нм, расстояния между соседними наноантеннами составляют от 10 до 1000 нм.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

При включении источника тока 8 в устройстве между электрическим контактом 4 и прозрачным проводящим слоем 3 протекает ток плотности jin, который обеспечивает инжекцию носителей в активный слой 2, в результате чего в нем возникает инверсная населенность энергетических состояний электронов и излучение в моды 7 электромагнитного поля наноантенн 6. Наночастицы-антенны 6 взаимодействуют с активным слоем 2 через электромагнитное поле мод 7 наноантенн, включающее ближнее (кулоновское) электромагнитное поле зарядов наноантенн. Частота ωПР плазмонного резонанса колебаний электронов проводимости вдоль наноантенн - лазерной моды - близка к резонансной частоте ω генерации электромагнитного поля в активном слое: ωПР-ω≤ГПР - ширины ПР; частоты ПР колебаний электронов проводимости поперек наноантенн - нелазерных мод - отличаются от ω на величины не менее δ, которое порядка нескольких ГПР или более - в зависимости от материалов, из которых изготовлена предлагаемая решетка (фиг. 1) (для типичных материалов наночастиц - серебра или золота ГПР~0.1-0.01ωПР, ωПР соответствует видимой красной или ближней ИК области спектра). Достаточная величина отстройки δ обеспечивает уменьшение потерь в РДНЛ за счет уменьшения скорости спонтанного излучения из активного слоя 2 в нелазерные моды наноантенн. Генерация лазерного излучения 9 возникает, когда jin>jth - пороговой плотности тока, величина jth составляет от 1 до 10 кА/см2, при площади решетки РДНЛ от 1 мм2 до 10 см2.

Одним из принципиальных отличий предложенной здесь схемы РДНЛ от известных устройств является использование вытянутых наноантенн, один размер которых превосходит два другие, и оптимизация электромагнитной связи эмиттеров активного слоя с решеткой наноантенн путем подбора оптимального расстояния а между активным слоем 2 и наноантеннами 6. Оптимальная величина а составляет примерно половину большего размера антенн, определяется для конкретной конструкции устройства и соответствует скорости спонтанного излучения эмиттеров активного слоя в нелазерные моды наноантенн в интервале 100 МГц - 1 ГГц, что в 10-100 раз меньше скорости спонтанного излучения эмиттеров в лазерную моду наноантенн. Оптимальное а реализуется подбором толщин слоев 3 и 5.

Может быть достигнута самофазировка наноантенн РДНЛ за счет их взаимодействия друг с другом через излучаемое ими электромагнитное поле. При самофазировке N резонансных излучателей - наноантенн 6, мощность их излучения возрастает с N как N1+α, 0<α<1, поэтому при самофазировке наноантенн может быть достигнуто понижение порога генерации и уменьшение jth. Также при самофазировке наноантенн РДНЛ уменьшается расходимость генерируемого излучения: при несфазированном излучении наноантенн угол дифракционной расходимости определяется размером наноантенны а при сфазированном - размерами решетки, т.е. угол расходимости уменьшается пропорционально отношению размера решетки к размеру наноантенны.

Использование полупроводниковой структуры с инжекционной накачкой и оптимизированной электромагнитной связью эмиттеров активного слоя с фазированной решеткой вытянутых наночастиц-наноантенн позволяет избежать усиления спонтанного излучения в направлениях, не совпадающих с направлением лазерной генерации, дополнительно повышая при этом эффективность генерации вынужденного излучения решеткой.

Использование предлагаемой решетки дипольных нанолазеров с инжекционной накачкой позволяет повысить эффективность и надежность накачки, уменьшить размеры устройства по сравнению с известными аналогами.

Относительно невысокие пороговые величины плотности тока накачки 1-10 кА/кв.см позволяют получить непрерывный режим генерации, поскольку при таких плотностях тока не происходит разогрева и деградации полупроводниковых структур.

В полупроводниковых активных средах, используемых в РДНЛ, достижимы коэффициенты усиления в 1000 1/см и даже более, в то время как в активных средах с красителями, как в прототипе, коэффициент усиления не превышает 10 1/см. Более высокие коэффициенты усиления в предложенном устройстве позволяют снизить пороговую скорость накачки и достичь более узких линий генерации, поскольку ширина линии генерации лазера уменьшается пропорционально превышению уровня его накачки над пороговым уровнем.

Вытянутые наночастицы-наноантенны имеют больший дипольный момент, чем наночастицы-цилиндры такого же объема. Больший дипольный момент означает большую скорость и мощность излучения. Также вытянутые наночастицы-наноантенны имеют меньшую площадь поверхности, с которой сталкиваются электроны при движении вдоль частиц, в сравнении с наночастицами-дисками того же объема. Это тоже уменьшает потери, приводит к снижению порога генерации и сужению ее спектра.

В РДНЛ имеется возможность высокой скорости модуляции генерируемого излучения за счет большой ширины его спектра: ширина спектра генерации вблизи порога - порядка ширины плазмонного резонанса наночастиц-наноантенн.

Упорядоченные массивы вытянутых наночастиц-наноантенн на полупроводниковых поверхностях могут изготавливаться из горизонтальных металлических нитей, например, методами нанолитографии, хорошо отработанными в микроэлектронике.

1. Решетка дипольных нанолазеров, включающая подложку, на которой находится активный слой, металлические наночастицы-наноантенны, локализованный плазмонный резонанс которых совпадает с оптическим резонансом активного слоя, и источник накачки активного слоя, отличающаяся тем, что подложка и активный слой выполнены из полупроводникового материала, на активный слой нанесен прозрачный проводящий слой и слой наночастиц-наноантенн, выполненных вытянутыми так, что их продольный размер в 1.5-4 раза превышает их поперечные размеры, и расположенных вдоль прямых, параллельным их большим измерениям, на подложку со стороны, противоположной активному слою, нанесен металлический электрический контакт, расстояние между активным слоем и слоем наночастиц-наноантенн составляет от 0.1 до 1 большего размера наночастицы-наноантенны.

2. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что между прозрачным проводящим слоем и слоем наночастиц-наноантенн дополнительно нанесен прозрачный диэлектрический слой.

3. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве источника накачки используют источник тока, обеспечивающий плотность тока между электрическим контактом, нанесенным на подложку со стороны, противоположной активному слою, и прозрачным проводящим слоем 1-10 кА/см2.

4. Решетка по п.1, отличающаяся тем, что в качестве полупроводникового материала используют материалы из групп: прямозонные соединения типа AIIIBV, AIIBIV, AIVBVI, гетероструктуры: GaxAl1-xAs/GaAs, GaxIn1-xASyP1-y/InP, GaxAl1-xAs/InP, GaxAl1-xAsyP1-y/GaxAl1-xPx, GaN/AlxGa1-xN.

5. Решетка по п.1 или 2 отличающаяся тем, что в качестве прозрачного проводящего слоя используется легированный оксидом олова In2O3 или легированные ZnO и TiO2.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, точнее - к компактным источникам лазерного излучения в инфракрасном диапазоне длин волн, а именно к полупроводниковым одночастотным источникам инфракрасного (ИК) излучения на основе лазера с дисковым резонатором, работающего на модах шепчущей галереи (Whispering Gallery Modes - WGM).

Изобретение относится к резонаторам полупроводниковых лазеров с лучеиспускающей поверхностью на основе гетероструктур. .

Изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструкции и работе полупроводниковых лазеров, и может быть использовано в системах записи, считывания и обработки информации.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а именно касается проблемы нанесения защитно-просветляющих и отражающих покрытий на торцевые грани светоизлучающих элементов, и может быть использовано при изготовлении лазеров и светодиодов на основе соединений AIIIBV.

Изобретение относится к области квантовой электроники, а более конкретно к активным элементам полупроводниковых лазеров с поперечной накачкой, которые могут быть использованы при создании систем посадки самолетов и проводки судов, в интерферометрии, дальнометрии, в системах отображения информации, для мониторинга окружающей среды, в медицине и т.д.

Изобретение относится к области лазерной техники, в частности к системам диодной накачки, к медицинским лазерам, а также к лазерным системам, используемым в информатике, оргтехнике и индустрии развлечений.

Изобретение относится к квантовой электронике, к полупроводниковым лазерам с поперечной накачкой возбуждающим пучком. .

Изобретение относится к получению наноструктурированных порошков металлических сплавов. Наноструктурированный порошок твердого раствора кобальт-никель состоит из первичных частиц в виде кобальтоникелевых наноблоков размерами 5-20 нм, агломерированных во вторичные частицы размерами 100-200 нм сферической формы.

Группа изобретений относится к медицине, конкретно к новым нанокристаллам золота и распределению форм нанокристаллов, которые имеют поверхности, которые не содержат органические загрязнения или пленки.

Изобретение предназначено для использования в химической, химико-металлургической, в авиационной и космической отраслях промышленности. Формируют каркас углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) из низкомодульных углеродных волокон, заполняют его поры дисперсным углеродным наполнителем путем выращивания в них каталитическим методом в газовой фазе наноразмерного углерода в форме частиц, волокон или трубок до его содержания 3,7-10,9% от веса волокнистого каркаса.

Изобретение относится к технологии получения тонких пленок графена, которые могут быть использованы в качестве прозрачного проводящего покрытия. Способ включает гетероэпитаксиальное выращивание тонкой пленки графена на тонкой пленке катализатора, нанесение покрытия на основе полимера на поверхность тонкой пленки графена, которая является противоположной относительно поверхности тонкой пленки катализатора, отверждение покрытия на основе полимера и отслаивание тонкой пленки графена и покрытия на основе полимера от тонкой пленки катализатора, при этом тонкую пленку катализатора располагают на несущей подложке, сформированной со стороны тонкой пленки катализатора, которая является противоположной относительно поверхности тонкой пленки графена, и между несущей подложкой и каталитической тонкой пленкой располагают тонкую пленку разделительного слоя из оксида цинка.

Изобретение относится к области получения композиционных материалов на основе углерод-керамической матрицы и изделий из них, теплозащитного, конструкционного назначений, предназначенных для эксплуатации в условиях комплексных статических и динамических нагрузок при температурах до 2000°С в окислительной и абразивосодержащих средах (авиакосмическая техника и металлургия).

Изобретение относится к области углерод-карбидокремниевых композиционных материалов (УККМ), предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и окислительной среды, и может быть использовано при создании ракетно-космической техники, где к изделиям предъявляется требование по герметичности под избыточным давлением.

Изобретение относится к области композиционных материалов с углерод-карбидокремниевой матрицей, предназначенных для работы в условиях высокого теплового нагружения и одностороннего воздействия окислительной среды с высоким окислительным потенциалом.

Изобретение относится к получению наноструктурированного конгломерированного порошкового материала для нанесения износо-коррозионностойких покрытий гизодинамическим и газотермическим напылением.
Изобретение относится к технологии получения полупроводниковых наноматериалов. Способ получения массивов наноразмерных нитевидных кристаллов кремния включает подготовку ростовой кремниевой подложки путем нанесения на ее поверхность нанодисперсных частиц катализатора конденсацией микрокапель коллоидного раствора и помещением подготовленной пластины в ростовую печь с последующим выращиванием нитевидных нанокристаллов, при этом на коллоидный раствор воздействуют ультразвуком, причем мощность ультразвукового генератора задают в пределах от 30 до 55 Вт, а температуру раствора поддерживают в интервале от 273 K до 370 K.

Изобретение относится к способу нанесения покрытия на зонды для атомно-силовой микроскопии (АСМ). Способ включает нанесение покрытия по меньшей мере на один АСМ-зонд посредством источника ионных кластеров.

Изобретение может быть использовано для получения функционализированных углеродных наноматериалов. Углеродные нанотрубки озонируют в проточном сосуде в присутствии трёхокиси серы или азотной кислоты, ускоряющих воздействие озона на их поверхность. Трёхокись серы или азотную кислоту подают в сосуд с нанотрубками перед подачей озонированного воздуха. В альтернативном варианте через проточный сосуд пропускают озонированный воздух с добавкой паров трёхокиси серы или азотной кислоты со скоростью 1 м3/ч в течение 1-8 ч. Технический результат: увеличение концентрации поверхностных кислородсодержащих групп. 5 ил., 3 пр.

Изобретение относится к композиционным керамическим материалам конструкционного назначения и способу его получения. Материал может быть использован для изготовления высокопрочных изделий, преимущественно в медицинской области в качестве эндопротезов суставов. Техническим результатом изобретения является разработка композиционного керамического материала с высокой устойчивостью к хрупкому разрушению. Композиционный керамический материал на основе синтезированных нанопорошков содержит корунд, тетрагональный диоксид циркония и гексаалюминат кальция-церия - [CeCa]Al12O19 при следующем соотношении компонентов, об.%: 63-66 - Al2O13 (корунд), 6-8 - [CeCa]Al12O19 (гексаалюминат кальция-церия), остальное - тетрагональный ZrO2 (Ce-TZP). Способ его получения включает одновременное обратное осаждение из смеси одномолярных растворов оксихлорида циркония, нитратов церия, алюминия и кальция раствором аммиака в присутствии изобутанола прекурсоров нанопорошков, имеющих химический состав (мол. %) Al2O3 61-65%, ZrO2 28-34%, CeO2 - 4-5%; СаО 1-2%, термообработку при температуре 1050-1100°С, деагломерацию, компактирование образцов и спекание при конечной температуре 1600-1630°С, в процессе которого in situ формируется дисперсно-упрочняющая фаза гексаалюмината кальция-церия ([CeCa]Al12O19) в виде длиннопризматических зерен. Свойства материала: плотность 4,58-4,62 г/см3, прочность при статическом изгибе σ=900-1000 МПа, трещиностойкость к1с=10,5-11,5 МПа·м1/2, микротвердость Н=12-12,5 ГПа и модуль упругости Е=322-324 ГПа. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр., 4 ил.
Наверх