一种电声调谐等离激元激光器及其制备方法与流程

1.本公开涉及纳米激光器技术领域，特别涉及一种电声调谐等离激元激光器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，纳米级激光器的研究一直是集成光芯片的研究难点，基于等离激元原理制备的激光器是实现激光器小型化的一个重要方法。
3.但是，等离激元激光器难以实现模式调控的问题限制了它的应用方向。声表面波(saw)器件是新兴的电声耦合器件，能够实现超薄超轻的换能器，但是在光电融合芯片中难以和光信号耦合。


技术实现要素：

4.本公开的主要目的是提出一种电声调谐等离激元激光器，旨在解决光电融合芯片中声信号电信号难以和光信号耦合的问题。
5.为实现上述目的，本公开提出一种电声调谐等离激元激光器，包括：
6.压电晶体，压电晶体的上端面有一压电形变面；
7.金属光栅，设于压电形变面，金属光栅包括多条间隔设置的金属条纹；
8.纳米线，设于金属光栅的上端面上，纳米线的延伸方向与金属条纹的延伸方向呈相互垂直设置，与金属光栅上端面紧密贴合；以及，
9.金属电极，设于压电晶体的侧壁面上。
10.可选的，纳米线的材质为钙钛矿纳米线、三五族纳米线或者二六族纳米线中任意一种；
11.金属电极的材质为银、铝、铜、铬、金或者镍中的任意一种或多种。
12.本公开还提供一种电声调谐等离激元激光器的制备方法，包括：
13.获取压电晶体，在压电形变面上涂设胶层；
14.对胶层曝光显影，得到预设阵列图形；
15.根据预设阵列图形，在压电形变面上蒸镀金属，并剥离胶层，形成金属光栅；
16.制备纳米线，转移纳米线至金属光栅的上端面上；
17.在压电晶体的侧壁面上制备金属电极，得到电声调谐等离激元激光器。
18.可选的，在压电形变面上涂设胶层的步骤之前还包括：
19.对压电形变面进行清洗抛光处理。
20.可选的，在压电形变面上涂设胶层的步骤中，涂设胶层的厚度大于等于金属光栅高度的三倍。
21.可选的，根据预设阵列图形，在压电形变面上蒸镀金属，并剥离胶层，形成金属光栅的步骤之前还包括：
22.根据预设阵列图形，在压电形变面上蒸镀吸附层；
23.在吸附层的表面蒸镀金属。
24.可选的，根据预设阵列图形，在压电形变面上蒸镀金属，并剥离胶层，形成金属光栅的步骤包括：
25.通过去胶剂冲洗剥离胶层，形成金属光栅。
26.可选的，制备纳米线的方法包括化学气相沉积法、物理气相沉积法以及分子束外延法中的任意一项。
27.可选的，在压电晶体的侧壁面上刷制金属电极的步骤之前还包括：
28.在压电晶体的上端面上覆设掩膜版。
29.可选的，在压电晶体的侧壁面上刷制金属电极，形成电声调谐等离激元激光器的步骤包括：
30.在压电晶体的侧壁面上制备金属电极，得到待退火电极；
31.对待退火电极进行退火固化，得到电声调谐等离激元激光器。
32.在本公开提供的技术方案中，采用压电晶体调节金属光栅阵列，实现电声双重调节的光泵浦等离激元激光器，具有体积小，调谐频率高，具有多种调谐方式的优点，发光端面小，腔长远小于传统分布反馈(dfb)激光器，连续调谐频率可达40mhz等优点，尤其是实现了声光电的一体化耦合，具有深厚的研究价值和广阔的应用前景。
附图说明
33.图1为本公开提供的电声调谐等离激元激光器立体结构示意图；
34.图2为本公开提供的电声调谐等离激元激光器制备方法的流程示意图。
35.附图标号说明：
36.具体实施方式
37.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
38.需要说明，若本公开实施例中有涉及方向性指示，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
39.另外，若本公开实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施案例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的
结合不存在，也不在本公开要求的保护范围之内。
40.请参阅图1，本公开提供一种电声调谐等离激元激光器100，包括压电晶体1、金属光栅2、纳米线3以及金属电极4；压电晶体1的上端面形成有一压电形变面；金属光栅2设于压电形变面，金属光栅2包括多条间隔设置的金属条纹；纳米线3设于金属光栅2的上端面上，纳米线3的延伸方向与金属条纹的延伸方向呈相互垂直设置，与金属光栅上端面紧密贴合；金属电极4设于压电晶体1的侧壁面上。
41.在本公开提供的实施例中，压电晶体1实现高频响应，用以实现光栅常数的调节，金属光栅2实现局域表面等离激元共振，实现局域电场增强和波长压缩，减小腔模尺寸，实现超小型可调谐激光器，纳米线3用以提供光学增益，实现激光，金属电极4用于提供电场使压电晶体形变。
42.本公开提供的电声调谐等离激元激光器100，采用压电晶体1调节金属光栅2阵列实现电声双重调节的光泵浦等离激元激光器具有体积小，调谐频率高，具有多种调谐方式等优点，发光端面小，腔长远小于传统分布反馈(dfb)激光器，连续调谐频率可达40mhz等优点，尤其是实现了声光电的一体化耦合，具有深厚的研究价值和广阔的应用前景。
43.进一步的，在本实施例中，纳米线3的材质为钙钛矿纳米线、三五族纳米线或者二六族纳米线中任意一种。保证纳米线3具有高的光增益系数。
44.另一方面，金属电极4的材质为银、铝、铜、铬、金或者镍中的任意一种或多种。以便于提供电场使压电晶体1形变。
45.需要说明的是，上述材质两个相关特征的选择中，可以择一存在，也可以同时存在，在此不做具体限制。
46.另外，需要说明的是，压电晶体1具有固定的伸长量-电压变化曲线，在
±
170v电压以内具备近似线性关系，最大伸长量应超过3％，以实现电调谐功能。
47.金属光栅2周期由波长决定，周期应为20nm-2μm
48.请参阅图2，基于上述电声调谐等离激元激光器100，本公开还提供一种制备方法，包括：
49.s10、获取压电晶体，在压电形变面上涂设胶层；
50.s20、对胶层曝光显影，得到预设阵列图形；
51.s30、根据预设阵列图形，在压电形变面上蒸镀金属，并剥离胶层，形成金属光栅；
52.s40、制备纳米线，转移纳米线至金属光栅的上端面上；
53.s50、在压电晶体的侧壁面上制备金属电极，得到电声调谐等离激元激光器。
54.以压电晶体1为衬底材料，在压电形变面上设置金属条纹阵列，形成金属光栅2，得到电调谐或声调谐的金属分布反馈腔，然后将增益材料纳米线3以接近垂直于金属光栅2的条纹方向搭载在金属阵列上，即制得可电声调谐的等离激元激光器。操作简单，便于批量生产。
55.在本公开提供的技术方案中，采用压电晶体调节金属光栅阵列，实现电声双重调节的光泵浦等离激元激光器，具有体积小，调谐频率高，具有多种调谐方式的优点，发光端面小，腔长远小于传统分布反馈(dfb)激光器，连续调谐频率可达40mhz等优点，尤其是实现了声光电的一体化耦合，具有深厚的研究价值和广阔的应用前景。
56.进一步的，为了便于在压电形变面上涂设胶层，在步骤s10之前还包括：
57.s01、对压电形变面进行清洗抛光处理。
58.需要说明的是，在本实施例中，清洗抛光的步骤包括：先用洗洁精水清洗，之后分别用去离子水、丙酮和异丙醇超声清洗20min，最后放入乙醇中备用。
59.需要说明的是，在步骤s20中，曝光显影的方法包括光刻法或者电子束曝光法中的任意一种，在此不做具体限制。
60.另一方面，在压电形变面上涂设胶层的步骤中，涂设胶层的厚度大于等于金属光栅高度的三倍，即厚度60纳米-2微米。
61.进一步的，步骤s30之前还包括：
62.s301、根据预设阵列图形，在压电形变面上蒸镀吸附层；
63.s302、在吸附层的表面蒸镀金属。
64.在压电形变面上蒸镀吸附层，用于增强金属的吸附力。
65.需要说明的是，在本实施例中，蒸镀金属的方法包括热蒸镀法和电子束蒸镀法。
66.另外，步骤s30包括：
67.s303、通过去胶剂冲洗胶层，形成金属光栅。
68.在本实施例中，制备纳米线3的方法包括化学气相沉积法、物理气相沉积法以及分子束外延法中的任意一项。
69.进一步的，步骤s50之前还包括：
70.s501、在压电晶体的上端面上覆设掩膜版。
71.避免在压电晶体1的其他壁面上也沉积金属。
72.在本实施例中，步骤s50包括：
73.s51、在压电晶体的侧壁面上制备金属电极，得到待退火电极；
74.s52、对待退火电极进行退火固化，得到电声调谐等离激元激光器。
75.在金属电极4采用刷制等方式制备在压电晶体1的侧壁面上时，通过退火处理，使得金属电极4完全固化。
76.基于上述电声调谐等离激元激光器及其制备方法，本公开提供一具体实施例。
77.1、在经过丙酮，异丙醇，乙醇超声清洗抛光的压电晶体1的压电形变面上进行阵列的lift-off(金属剥离)工艺。
78.2、在压电晶体1上涂胶，例如光刻胶az6130或者电子束胶ar671.05等，针对波长小于2μm时，可以使用电子束胶ar671.05，匀胶转速4000rpm，胶厚390nm；然后曝光，曝光版图设计阵列周期390nm，针对ar671.05电子束胶，使用10kv加速电压时，曝光剂量在80-110μc/cm2之间，显影使用显影液ar600-56，显影时间200s，定影液使用异丙醇，定影时间30s，电子束胶上就得到光栅的预设阵列图案。
79.3、蒸镀铬、钛或镍5nm，用于增强吸附。
80.4、蒸镀金50nm，蒸发时将样品光刻胶一侧倒扣放置于蒸镀机样品架上，抽真空至2
×
10-4pa时开始蒸发，铬、钛或镍蒸发速率约0.5-2埃每秒，厚度5nm，再蒸镀金，蒸发速率0.6-3埃每秒，厚度50-200nm。
81.5、剥离电子束胶得到金的金属光栅2，得到光栅阵列，剥离使用丙酮浸泡冲洗去除胶。
82.6、通过cvd(化学气相沉积法)、pvd(物理气相沉积法)或者mbe(分子束外延法)等
手段得到光增益纳米线3；
83.针对波长780nm附近的激光器，钙钛矿纳米线3可选用cspbi3，通过cvd方法生长时，首先将碘化铅和碘化铯各1mmol放入石英舟，置于管式炉加热区中央，硅衬底置于其下游约10cm处，将管式炉内气压抽至1mbar，再通入ar气20分钟，流速90sccm，然后在20分钟内升温至570摄氏度，保温15分钟，最后自然降温，衬底上就生长了cspbi3纳米线3。
84.针对波长540nm附近的激光器，可以使用cspbbr3，通过pvd方法生长时，首先将碘化铅和碘化铯各0.3mmol溶解于10ml二甲基亚砜(dmso)中，将溶液旋涂于洁净的经过紫外臭氧处理的玻璃片上，转速为500转每分钟，然后将其放置于近距离快速退火蒸发炉下层，退火蒸发炉上侧加热区样品架放置有洁净的硅片衬底，衬底正对着玻璃片放置，关闭退火蒸发炉舱门，降下上加热区样品架至硅片与玻璃片间距约1.2mm，抽真空至10pa，1分钟内将下加热区升温至320-350℃，上加热区至300-320℃，恒温5分钟，迅速拉起上加热区样品架，降温后硅片上即是cspbbr3纳米线。
85.7、通过吸附脱附法或者纳米机械手操作等方法将纳米线3转移到金光栅阵列上，纳米线3尽量垂直于光栅阵列。使用pdms(聚二甲基硅氧烷)在衬底上轻微按压，然后在金光栅阵列上二次按压，纳米线3就转移到了光栅阵列上，然后用纳米机械手将纳米线3摆放到垂直于光栅阵列排列即可。
86.8、在压电晶体侧面刷导电银浆或者蒸镀铝作为金属电极4。
87.9、蒸镀或者溅射金属获得电极时使用合适的掩模版，避免正面也沉积金属。
88.使用蒸镀时，将样品需要电极一侧倒扣在掩模版上，放置于蒸镀机样品架上，抽真空至2
×
10-4pa时开始蒸发，铜电极蒸发速率约1埃每秒，厚度50-200nm。
89.溅射电极时，样品需要溅射电极的一侧朝上放置，掩模版盖在样品上防止其它面溅射上金属，先抽真空至2
×
10-3pa，然后通入氩气，至压力稳定在0.5-3pa时开始溅射铜电极，溅射速率约1埃每秒，厚度50-200nm。
90.10、在70℃的温度下退火20min，使电极完全固化。使用蒸镀和溅射等工艺时，本步骤可选择使用。
91.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。