激光廣泛應用于家用電器、醫(yī)藥、工業(yè)、電信等領域。幾年前，科學家們引入了納米拉塞爾。它們的設計類似于幾十年來普遍使用的基于異質結構的傳統(tǒng)半導體激光器。不同之處在于，納米拉色劑的空腔非常小，這是根發(fā)出的光的波長來決定。

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分之一。納米材料具有與宏觀激光明顯不同的獨特性質。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，此外在實際應用中，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激光作用和具有低電流非相干輸出的 led 樣狀態(tài)。來自莫斯科物理與技術研究所的研究人員開發(fā)了一種方法來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，能將電磁場局限在金屬表面很小的范圍并發(fā)生共振增強，滿足麥克斯韋方程組�；�于表面等離子激元的納米激光器，不是光學諧振腔在光學系統(tǒng)中的抽運和反饋，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，被增益介質放大并實現(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)光學中衍射極限的瓶頸，實現(xiàn)激光器的亞波長束縛，這在導波光學和集成光學中都是很難實現(xiàn)的。目前世界上很多納米激光器都是運用ＳＰＰ的思想通過不同結構的設計來突破衍射極限。ＳＰＰ也因其良好的電場局域性、較快的響應速度在納米光子器件集成領域中得到了廣泛應用，并深入生物傳感、太陽能電池、數(shù)據(jù)存儲等方向。本文重點介紹了基于表面等離子激元納米激光器的國內(nèi)外研究進展。

受激輻射引起的表面等離子體放大器

該結構將光以局域化的表面等離子激元的形式限制在一個亞波長的區(qū)域內(nèi)，并使之與增益介質交疊，實現(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，該輻射場可以是與表面等離子體頻率無關的光場，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的Ｎｏｇｉｎｏｖ等利用實驗成功驗證了上述理論，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染料ＯＧ－４８８（ＯｒｅｇｏｎＧｒｅｅｎ４８８）的硅膠殼結構，金屬核心直徑是１４ｎｍ，整個納米粒子的尺寸是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，當外來電磁場激發(fā)表面等離子激元并在金屬表面產(chǎn)生共振時，局域近場增強了６倍，通過光抽運能夠獲得激射波長為５３１ｎｍ的激光。這為納米激光器的制備提供了實驗方案，但也由于難以在納米顆粒上加電而無法實現(xiàn)電抽運。

圖1  納米粒子表面等離子激元激光器。（ａ）混合納米顆粒結構圖；（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）光譜結果

這項研究發(fā)表在《光學快報》上。在不久的將來，納米硅將被整合到集成光學電路中，這是基于光子波導的新一代高速互連所必需，這將使 cpu 和 gpu 的性能提高幾個數(shù)量級。同樣，光纖互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)提高了連接速度，同時也提高了能源效率。到目前為止，這并不是納米拉瑟唯一可能的應用。研究人員已經(jīng)在開發(fā)化學和生物傳感器，只有百萬分之一米大，而機械應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。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。與相干性密切相關的一個顯著特性是存在所謂的激光閾值。當泵浦電流低于這個閾值時，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 測試，圖片：tsarcyanide/MIPT

但是一旦達到閾值電流，輻射就會變得相干。在這一點上，傳統(tǒng)的宏觀激光發(fā)射光譜縮小，其輸出功率峰值。后一個特性提供了一種確定激光閾值的簡單方法——即通過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)，因此不能通過分析輸出功率與泵電流曲線來確定激光閾值。這種納米聚糖被稱為“無閾值”。這就提出了一個問題：在什么電流下它們的輻射會變得相干，或者像激光一樣？回答這個問題最明顯的方法是測量相干性。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量因為這需要能夠記錄強度波動在萬億分之一秒(納米激光器內(nèi)部過程發(fā)生的時間尺度)的設備。

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系。圖片：A.A. Vyshnevyy and D.Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473

莫斯科物理技術研究所的 Andrey Vyshnevyy 和 Dmitry Fedyanin 找到了一種繞過具有技術挑戰(zhàn)性的直接相干測量的方法。他們開發(fā)了一種方法，使用主要的激光參數(shù)來量化納米激光輻射的相干性。研究人員聲稱他們的技術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“無閾值”的納米激光器，實際上也有一個獨特的閾值電流將 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明顯的扭結，在更高的電流下也會發(fā)生向激光狀態(tài)的轉變。這是激光科學家們無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系，藍色和綠色曲線很好地近似了紅線所示的準確值。圖片：Andrey A. Vyshnevyy and Dmitry Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473

計算表明，在大多數(shù)關于納米激光器的論文中，激光系統(tǒng)并沒有實現(xiàn)。盡管研究人員在輸出特性上測量了扭結以上的激光，但納米激光器發(fā)射是不連貫的，因為實際的激光閾值是扭結值以上的數(shù)量級。通常，由于納米激光器的自熱，根本不可能實現(xiàn)一致的輸出。因此將虛激光閾值與實際激光閾值區(qū)分開來是非常重要的。盡管相干性測量和計算都很困難，維什涅夫斯基和費迪亞寧提出了一個可以應用于任何納米激光器的簡單公式。利用這個公式和輸出特性，nanolaser 工程師現(xiàn)在可以快速測量他們創(chuàng)建結構的閾值電流(見圖 2)。Vyshnevyy 和 Fedyanin 報告的研究結果使我們能夠提前預測納米激光器的輻射（無論它的設計是什么）變得一致的那一點。這將使工程師能夠確定性地開發(fā)具有預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題：

(1)高損耗問題

由于引入了損耗很大的金屬來提供表面等離子體激元，因此必須考慮高損耗對光子激射的影響。金屬引起的表面等離子體激元損耗主要機制是自由電子散射和短波長光子吸收。短波長光子吸收可以通過選擇工作波長來避免，然而對于自由電子散射，即便可以通過改進加工工藝等方法減小，卻不可能根除。另外，金屬的粗糙表面、溝槽和褶皺還會導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用。通常來說，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[63-67]報導表明，可以利用增益介質輔助的光波導來實現(xiàn)表面等離子體激元的長程傳輸和振蕩，增益介質的作用在于補償金屬損耗并增強光子激射。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)制備工藝問題

由于粗糙金屬表面將會導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驗人員一直面臨的技術難題。

(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際應用，因此在克服室溫高損耗的基礎上，實現(xiàn)室溫電泵浦工作一直是全世界科學家們的研究難點和熱點。當然，如何在小尺度上引入電極，也是技術上的難點。

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