重新审视平面等离激元激光器的设计：增益、间隙层与模式竞争
光学
2021-01-18 v1
摘要
由于表面等离激元可被限制在衍射极限以下，支持等离激元模式的金属激光器可提供微型化电磁波源。此类器件常采用多层设计，其中半导体增益层经间隙层置于金属界面附近。然而，尽管已有诸多实验演示，这些平面金属激光器的关键设计考量仍研究不足，导致关于最优设计的错误结论。在此，我们对平面金属激光器展开详尽实验与理论研究，以探究设计参数对激光行为的影响。我们将半导体纳米片作为可控厚度的增益层印刷到带集成平面法布里-珀罗腔的氧化铝包覆银膜上。随后通过光谱与偏振分辨的远场成像监测激光行为。结果分别与考虑等离激元与光子模式的波导理论模型及详细速率方程模型比较。我们表明激光模式的性质由增益层厚度决定。此外，通过在波导模型中显式处理增益，我们发现与传统认知相反，高折射率间隙层有利于等离激元激光。另外，我们的速率方程模型揭示了一个等离激元与光子模式在同一器件内竞争的区域，提出了简便主动模式切换的可能性。这些发现为未来金属激光器设计提供指导，并可能带来具有受控光子与等离激元输出、可高速切换的片上激光器。
引用
@article{arxiv.2101.05881,
title = {Reconsidering the design of planar plasmonic lasers: gain, gap layers, and mode competition},
author = {Marianne Aellen and Aurelio A. Rossinelli and Robert C. Keitel and Raphael Brechbühler and Felipe V. Antolinez and Jian Cui and David J. Norris},
journal= {arXiv preprint arXiv:2101.05881},
year = {2021}
}
备注
51 pages, 14 figures (main text and supporting information merged)