激光廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)藥、工業(yè)、電信等領(lǐng)域。幾年前，科學(xué)家們引入了納米拉塞爾。它們的設(shè)計(jì)類似于幾十年來(lái)普遍使用的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器。不同之處在于，納米拉色劑的空腔非常小，這是根發(fā)出的光的波長(zhǎng)來(lái)決定。

由于它們主要產(chǎn)生可見光和紅外光，所以它們的大小大約是一米的百萬(wàn)分之一。納米材料具有與宏觀激光明顯不同的獨(dú)特性質(zhì)。然而，幾乎不可能確定在什么電流下，納米激光器的輸出輻射變得相干，此外在實(shí)際應(yīng)用中，重要的是要區(qū)分納米激光器的兩種狀態(tài)：具有高電流相干輸出的真實(shí)激光作用和具有低電流非相干輸出的 led 樣狀態(tài)。來(lái)自莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員開發(fā)了一種方法來(lái)確定在什么情況下納米激光器才算真正的激光器。

表面等離激元

ＳＰＰ（表面等離激元）是指在金屬表面存在的自由振動(dòng)的電子與入射光子相互作用產(chǎn)生的沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿�，是一種特殊的電磁模式，能將電磁場(chǎng)局限在金屬表面很小的范圍并發(fā)生共振增強(qiáng)，滿足麥克斯韋方程組�；�于表面等離子激元的納米激光器，不是光學(xué)諧振腔在光學(xué)系統(tǒng)中的抽運(yùn)和反饋，而是在電磁波作用下，自由電子的受激振蕩可在納米尺度上產(chǎn)生強(qiáng)烈的局域表面等離子體共振，在諧振腔內(nèi)傳輸振蕩，被增益介質(zhì)放大并實(shí)現(xiàn)激射。

基于表面等離子激元（ＳＰＰ）的納米激光器是用表面等離子體替代受激輻射的光子，所以能突破傳統(tǒng)光學(xué)中衍射極限的瓶頸，實(shí)現(xiàn)激光器的亞波長(zhǎng)束縛，這在導(dǎo)波光學(xué)和集成光學(xué)中都是很難實(shí)現(xiàn)的。目前世界上很多納米激光器都是運(yùn)用ＳＰＰ的思想通過(guò)不同結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)突破衍射極限。ＳＰＰ也因其良好的電場(chǎng)局域性、較快的響應(yīng)速度在納米光子器件集成領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并深入生物傳感、太陽(yáng)能電池、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等方向。本文重點(diǎn)介紹了基于表面等離子激元納米激光器的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

受激輻射引起的表面等離子體放大器

該結(jié)構(gòu)將光以局域化的表面等離子激元的形式限制在一個(gè)亞波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)，并使之與增益介質(zhì)交疊，實(shí)現(xiàn)光放大和受激輻射。與一般激光器相似的是，表面等離子激元激光器的能量源是有源增益介質(zhì)，該輻射場(chǎng)可以是與表面等離子體頻率無(wú)關(guān)的光場(chǎng)，該理論使表面等離子激元用于激光器中成為可能。２００９年諾�？酥萘⒋髮W(xué)的Ｎｏｇｉｎｏｖ等利用實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)證了上述理論，將傳統(tǒng)光子由表面等離子激元替代，共振腔由納米粒子替代，來(lái)支持表面等離子體模式。其基本模型如圖所示，是金屬核心外包覆含有有機(jī)染料ＯＧ－４８８（ＯｒｅｇｏｎＧｒｅｅｎ４８８）的硅膠殼結(jié)構(gòu)，金屬核心直徑是１４ｎｍ，整個(gè)納米粒子的尺寸是４４ｎｍ，金屬納米球提供表面等離子激元，在金屬納米球的周圍或表面分布有源增益介質(zhì)，當(dāng)外來(lái)電磁場(chǎng)激發(fā)表面等離子激元并在金屬表面產(chǎn)生共振時(shí)，局域近場(chǎng)增強(qiáng)了６倍，通過(guò)光抽運(yùn)能夠獲得激射波長(zhǎng)為５３１ｎｍ的激光。這為納米激光器的制備提供了實(shí)驗(yàn)方案，但也由于難以在納米顆粒上加電而無(wú)法實(shí)現(xiàn)電抽運(yùn)。

圖1  納米粒子表面等離子激元激光器。（ａ）混合納米顆粒結(jié)構(gòu)圖；（ｂ）金核的透射電子顯微鏡（ＴＥＭ）圖；（ｃ）Ａｕ／二氧化硅／染料殼的掃描電子顯微鏡（ＳＥＭ）圖；（ｄ）表面等離子體模式；（ｅ）光譜結(jié)果

這項(xiàng)研究發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上。在不久的將來(lái)，納米硅將被整合到集成光學(xué)電路中，這是基于光子波導(dǎo)的新一代高速互連所必需，這將使 cpu 和 gpu 的性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同樣，光纖互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)提高了連接速度，同時(shí)也提高了能源效率。到目前為止，這并不是納米拉瑟唯一可能的應(yīng)用。研究人員已經(jīng)在開發(fā)化學(xué)和生物傳感器，只有百萬(wàn)分之一米大，而機(jī)械應(yīng)力傳感器只有十億分之一米小。納米聚糖還有望用于控制包括人類在內(nèi)的生物神經(jīng)元活動(dòng)。要使輻射源成為合格的激光器，它需要滿足許多要求，其中最主要的是它必須發(fā)射相干輻射。與相干性密切相關(guān)的一個(gè)顯著特性是存在所謂的激光閾值。當(dāng)泵浦電流低于這個(gè)閾值時(shí)，輸出輻射主要是自發(fā)的，其特性與傳統(tǒng)發(fā)光二極管(LEDs)的輸出沒有什么不同。

Nanolaser 測(cè)試，圖片：tsarcyanide/MIPT

但是一旦達(dá)到閾值電流，輻射就會(huì)變得相干。在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)的宏觀激光發(fā)射光譜縮小，其輸出功率峰值。后一個(gè)特性提供了一種確定激光閾值的簡(jiǎn)單方法——即通過(guò)研究輸出功率隨泵電流的變化情況(圖 1A)。許多納米分子篩的行為與傳統(tǒng)的宏觀分子篩相同，表現(xiàn)出閾值電流。然而，對(duì)于某些器件，由于它沒有特殊的特性，只是 log-log 刻度上的一條直線(圖 1B 中的紅線)，因此不能通過(guò)分析輸出功率與泵電流曲線來(lái)確定激光閾值。這種納米聚糖被稱為“無(wú)閾值”。這就提出了一個(gè)問(wèn)題：在什么電流下它們的輻射會(huì)變得相干，或者像激光一樣？回答這個(gè)問(wèn)題最明顯的方法是測(cè)量相干性。然而，與發(fā)射光譜和輸出功率不同，相干性在納米激光器中很難測(cè)量因?yàn)檫@需要能夠記錄強(qiáng)度波動(dòng)在萬(wàn)億分之一秒(納米激光器內(nèi)部過(guò)程發(fā)生的時(shí)間尺度)的設(shè)備。

在給定溫度下，傳統(tǒng)宏觀激光器(a)和典型納米激光器(B)的輸出功率與泵浦電流的關(guān)系。圖片：A.A. Vyshnevyy and D.Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473

莫斯科物理技術(shù)研究所的 Andrey Vyshnevyy 和 Dmitry Fedyanin 找到了一種繞過(guò)具有技術(shù)挑戰(zhàn)性的直接相干測(cè)量的方法。他們開發(fā)了一種方法，使用主要的激光參數(shù)來(lái)量化納米激光輻射的相干性。研究人員聲稱他們的技術(shù)可以確定任何納米激光器的閾值電流(圖 1B)。他們發(fā)現(xiàn)，即使是“無(wú)閾值”的納米激光器，實(shí)際上也有一個(gè)獨(dú)特的閾值電流將 LED 和激光分開。發(fā)射的輻射在閾值電流以下是不相干的，在閾值電流以上是相干的。令人驚訝的是，納米激光器的閾值電流與輸出特性或發(fā)射光譜的變窄沒有任何關(guān)系，而這些都是宏觀激光中激光閾值的特征。圖 1B 清楚地顯示，即使在輸出特性中看到一個(gè)明顯的扭結(jié)，在更高的電流下也會(huì)發(fā)生向激光狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這是激光科學(xué)家們無(wú)法從納米激光中期待的。

納米激光器閾值電流與器件溫度的關(guān)系，藍(lán)色和綠色曲線很好地近似了紅線所示的準(zhǔn)確值。圖片：Andrey A. Vyshnevyy and Dmitry Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473

計(jì)算表明，在大多數(shù)關(guān)于納米激光器的論文中，激光系統(tǒng)并沒有實(shí)現(xiàn)。盡管研究人員在輸出特性上測(cè)量了扭結(jié)以上的激光，但納米激光器發(fā)射是不連貫的，因?yàn)閷?shí)際的激光閾值是扭結(jié)值以上的數(shù)量級(jí)。通常，由于納米激光器的自熱，根本不可能實(shí)現(xiàn)一致的輸出。因此將虛激光閾值與實(shí)際激光閾值區(qū)分開來(lái)是非常重要的。盡管相干性測(cè)量和計(jì)算都很困難，維什涅夫斯基和費(fèi)迪亞寧提出了一個(gè)可以應(yīng)用于任何納米激光器的簡(jiǎn)單公式。利用這個(gè)公式和輸出特性，nanolaser 工程師現(xiàn)在可以快速測(cè)量他們創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的閾值電流(見圖 2)。Vyshnevyy 和 Fedyanin 報(bào)告的研究結(jié)果使我們能夠提前預(yù)測(cè)納米激光器的輻射（無(wú)論它的設(shè)計(jì)是什么）變得一致的那一點(diǎn)。這將使工程師能夠確定性地開發(fā)具有預(yù)定特性和保證相干性的納米激光器。

納米激光器也存在著一定的問(wèn)題：

(1)高損耗問(wèn)題

由于引入了損耗很大的金屬來(lái)提供表面等離子體激元，因此必須考慮高損耗對(duì)光子激射的影響。金屬引起的表面等離子體激元損耗主要機(jī)制是自由電子散射和短波長(zhǎng)光子吸收。短波長(zhǎng)光子吸收可以通過(guò)選擇工作波長(zhǎng)來(lái)避免，然而對(duì)于自由電子散射，即便可以通過(guò)改進(jìn)加工工藝等方法減小，卻不可能根除。另外，金屬的粗糙表面、溝槽和褶皺還會(huì)導(dǎo)致表面等離子體激元的損耗由二維面損耗變?yōu)槿�維體損耗，從而使得損耗大大增加。這種金屬引入的損耗很大程度上限制了表面等離子體激元的應(yīng)用。通常來(lái)說(shuō)，表面等離子體激元被限制的分布空間越小，其金屬損耗越高。為了降低損耗，通常使用相對(duì)介電常數(shù)虛部較小的金屬，例如銀、金等，而且，在低溫下可以有效降低金屬的電子散射損耗。文獻(xiàn)[63-67]報(bào)導(dǎo)表明，可以利用增益介質(zhì)輔助的光波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)表面等離子體激元的長(zhǎng)程傳輸和振蕩，增益介質(zhì)的作用在于補(bǔ)償金屬損耗并增強(qiáng)光子激射。另外，基于表面等離子體激元的激光器通常光限制因子(一般大于20％)要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)激光器(通常小于5％)，因此可以提供更高的模式增益。

(2)制備工藝問(wèn)題

由于粗糙金屬表面將會(huì)導(dǎo)致額外的表面等離子體激元損耗，因此通常要求表面平整度在幾個(gè)納米以下，這就為制備工藝增加了難度。如何制備平整的表面用于傳輸表面等離子體激元是實(shí)驗(yàn)人員一直面臨的技術(shù)難題。

(3)電泵浦工作難題

由于表面等離子體激元激光器件體積小、損耗高、難以在室溫電泵浦下工作，這些極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用，因此在克服室溫高損耗的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)室溫電泵浦工作一直是全世界科學(xué)家們的研究難點(diǎn)和熱點(diǎn)。當(dāng)然，如何在小尺度上引入電極，也是技術(shù)上的難點(diǎn)。

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