激光器广泛运用在通讯、医学成像与手术、消费电子等范畴，它深刻转变了公共的糊口。最近几年来，为了让激光器的尺寸更小，科学家研制出了纳米激光器 不仅进一步鞭策光子器件的小型化与集成化成长，还有为研究极度前提下光与物资的彼此作用斥地了新路径。本文从光的孕育发生最先，带您深切摸索纳米激光器的世界。

于信息技能范畴，晶体管及激光器是两年夜焦点元件。晶体管的微型化鞭策电子芯片飞速成长，并催生广为人知的摩尔定律 每一隔约18个月，集成电路上可容纳的晶体管数目将翻一番，这一趋向鞭策开始进的晶体管尺寸到达纳米级别。今朝，公共利用的手机及电脑芯片中已经能集成跨越百亿个晶体管，从而使这些装备具有强盛的信息处置惩罚能力，鞭策数字与智能时代到来。与此同时，激光器的微型化则激发了光子技能革命。颠末半个多世纪成长，微型半导体激光器已经广泛运用在通讯、数据存储、医学成像与手术、传感与丈量、消费电子、增材制造、显示与照明等范畴。

比拟晶体管，缩小激光器的难度更年夜，这重要于在二者所依靠的微不雅粒子大相径庭 晶体管依靠电子，而激光器依靠光子。于可见光及近红外波段，光子波长比晶体管中的电子波长超出跨越3个数目级。受衍射极限的制约，这些光子能被压缩到的最小模式体积比晶体管中的电子年夜了约9个数目级，即10亿倍。构建纳米标准激光器的焦点挑战于在怎样冲破衍射极限，将光子的体积 压缩 到极限。霸占这一难题不仅能显著鞭策光子技能成长，还有将催生很多全新的运用场景。假想一下，当光子像电子同样，可以于纳米标准上被矫捷操控，咱们就能够用光直接不雅察DNA的邃密布局，还有可以制造年夜范围光电集成芯片，信息处置惩罚速率及效率将获得奔腾性晋升。

最近几年来，经由过程外貌等离激元及奇点光场局域机制，激光模式体积已经冲破光学衍射极限，进入纳米标准，从而催生纳米激光器。

1.打开摸索未知的璀璨之门

于天然界，光孕育发生的方式有两种：自觉辐射及受激辐射。

自觉辐射是一个奇奥的历程，纵然于彻底暗中、没有任何外来光子的环境下，物资也能自行发光。这是由于真空并不是真实的 空无一物 ，此中布满了微小的能量颠簸，称为真空零点能。真空零点能可以促使处在引发状况的物资开释光子。例如，点燃一支烛炬，便孕育发生了烛光。人类使用火的汗青可以追溯到100多万年前，火为人类先人带来光亮及温暖，开启文明篇章。火焰及白炽灯都是自觉辐射的光源，它们经由过程燃烧或者加热，使电子进入高能态，然后于真空零点能作用下，开释出光子，照亮世界。

受激辐射则展现了光与物资之间更为深刻的互动。当外来的光子颠末处在引发状况的物资时，会激发物资开释出与入射光子彻底不异的新光子。这类被 复制 出的光子，使患上光束具备高度的标的目的性及一致性，这即是咱们认识的激光。虽然激光的发现距今还有不到一个世纪，但它已经迅速融入公共糊口，带来翻天覆地的变化。

激光的发现为人类打开了一扇摸索未知的璀璨之门。它为咱们提供了强盛的东西，极年夜鞭策现代文明成长。于信息通讯范畴，激光将高速光纤通讯变为实际，让全世界互联互通成为可能。于医疗方面，激光手术具备高精度及微创的特色，为患者带来更安全、更有用的医治要领。于工业制造中，激光切割及焊接提高了出产效率及产物精度，让人们打造出更周详的机械及装备。于科学研究中，激光是引力波探测及量子信息技能的要害东西，帮忙科学家揭开宇宙的神秘面纱。

从一样平常糊口中的激光打印、医疗美容到前沿科技的可控核聚变、激光雷达及激光兵器，激光已经无处不于，深刻地影响着世界成长。它不仅转变了咱们的糊口方式，更扩大了人类熟悉及革新天然的能力。

2.理解及使用天然的强盛东西

爱因斯坦遭到普朗克的黑体辐射定律开导，在1917年提出受激辐射观点，这一发明为激光的发现奠基了基础。1954年，美国科学家汤斯等初次报导了使用受激辐射实现的微波振荡器，即微波激射器。他们采用引发态的氨份子作为增益介质，使用长约12厘米的微波谐振腔提供反馈，实现了波长约12.56厘米的微波激射。微波激射器被视为激光器的前身，但激光器可以或许孕育发生更高频率的相关辐射，具备更小体积、更高强度、更高信息载量等上风。

1960年，美国科学家梅曼发现了第一台激光器。他利用一根长约1厘米的红宝石棒作为增益介质，棒的两头镀银，充任反射镜以提供光学反馈。于闪光灯引发下，该装配孕育发生了波长为694.3纳米的激光输出。值患上留意的是，微波激射器的尺寸与其波长于统一量级。根据这类比例瓜葛，激光器的尺寸理应可以做到约700纳米。然而，第一台激光器的尺寸远弘远在此，跨越了4个数目级。将激光器缩小到与波长相称的尺寸，泯灭了约莫30年时间，而冲破波长限定，实现深亚波长的激光器，则用了半个世纪。

与平凡光源比拟，微波激射器及激光器的辐射能量集中于极窄的频率规模内。是以，这两项发现可视为经由过程受激辐射实现了电磁波于频率空间的局域化。受激辐射还有可用在于时间、动量及空间维度上局域化电磁波。经由过程于这些维度上对于电磁波举行局域化，激光光源可以或许实现极为不变的频率振荡、超短的脉冲、高度的标的目的性及极小的模式体积，这使咱们能切确丈量时间、不雅察快速运动、远间隔传输信息及能量、实现装备小型化，并得到更高的成像分辩率。

自激光问世以来，人们不停于频率、时间、动量及空间等维度上实现更强光场局域化的寻求，鞭策激光物理研究及激光器件迅速成长，使激光成为理解及使用天然的强盛东西。

于频率维度上，经由过程高品质因子腔、反馈节制及情况断绝等技能，激光器可以或许连结极为不变的频率，鞭策多项庞大科学研究取患上冲破，例如玻色 爱因斯坦凝结（2001年诺贝尔物理学奖）、周详激光光谱（2005年诺贝尔物理学奖）及引力波探测（2017年诺贝尔物理学奖）。

于时间维度上，锁模技能及高次谐波孕育发生技能使患上超短激光脉冲成为实际。阿秒激光经由过程极致的时间局域化，可以或许孕育发生连续仅1个光学周期摆布的光脉冲。这一冲破使患上不雅察原子内层电子运动等超快历程成为可能，得到了2023年诺贝尔物理学奖。

于动量维度上，年夜面积单模激光器的开发实现了光场于动量空间的高度局域化，使激光光束具备高度的标的目的性，由此孕育发生的高准直激光有望鞭策超远间隔星际间高速光通讯的成长。

于空间维度上，引入外貌等离激元及奇点光场局域机制，使患上激光模式体积可以冲破光学衍射极限，到达小在( /2n)3（此中 为自由空间光波长，n为质料的折射率）的标准，从而催生出纳米激光器。纳米激光器的呈现对于改造信息技能、研究光与物资于极度前提下的彼此作器具有深远意义。

3.冲破光学衍射极限

于激光发现30余年后，跟着微加工技能的前进，以和对于激光物理研究与激光器件的深切相识，各种微型半导体激光器接踵被开发出来，包括微盘激光器、光子晶体缺陷态激光器及纳米线激光器。1992年，美国贝尔试验室乐成实现了首个微盘激光器，使用微盘中的回音壁模式，让光于微盘内重复反射，孕育发生共振反馈并实现激射。1999年，美国加州理工年夜学经由过程于二维光子晶体中引入点缺陷来约束光，实现了首个光子晶体缺陷态激光器。2001年，美国加州年夜学伯克利分校初次使用纳米线的端面作为反射镜，乐成实现了半导体纳米线激光器。这些激光器将特性尺寸降低至单个真空波长的量级，然而因为光学衍射极限的限定，这些基在介电谐振腔的激光器难以进一步缩小。

于几何学中，直角三角形的直角边长度小在斜边长度。而于微不雅标准上，要打破衍射极限，则需要两条直角边的长度年夜在斜边。2009年，国际上有3个团队初次实现了冲破光学衍射极限的等离激元纳米激光器。此中，加州年夜学伯克利分校及北京年夜学团队实现了基在一维半导体纳米线 绝缘体 金属布局的等离激元纳米激光器；荷兰埃因霍芬理工年夜学及美国亚利桑那州立年夜学团队开发了基在金属 半导体 金属3层平板布局的等离激元纳米激光器；美国诺福克州立年夜学及普渡年夜学团队则展示了基在局域外貌等离激元共振的金属核 内嵌增益介质壳的核 壳布局等离激元纳米激光器。

换言之，等离激元纳米激光器经由过程于色散方程中引入虚数单元，科学家现实上构建了一个直角边的长度年夜在斜边的非凡三角形。恰是这个非凡的三角形，答应咱们于物理上实现更强的光场局域化。

颠末10余年成长，等离激元纳米激光器已经揭示出极小的模式体积、超快的调制速率及低能耗等优秀特征。然而，相较在介电质料，虽然等离激元效应将光场与金属中自由电子的团体振荡耦合，实现了更强的光场局域化，但这类耦合也引入了固有的欧姆损耗，致使热量孕育发生，进而增长器件功耗，并限定其相关时间。

2024年，北京年夜学团队提出了一种全新的奇点色散方程，展现了全介电胡蝶结纳米天线的色散特征。经由过程将胡蝶结纳米天线嵌入北京年夜学团队提出的转角纳腔布局中，初次于介电系统中实现了冲破光学衍射极限的奇点介电纳米激光器。这类布局设计使光场患上以极限压缩，理论上能到达无穷小的模式体积，远远小在光学衍射极限。此外，转角纳腔的精良组织进一步晋升了光场的存储能力，使奇点纳米激光用具备超高的品质因子，其光腔品质因子（即光腔存储能量与每一周期丧失能量的比值）可跨越100万。

北京年夜学团队进一步开发了基在纳米激光器的光频相控阵技能。他们经由过程精准调控激光阵列中各纳米激光器的激射波长及相位，乐成展示了阵列化相关激射技能的强盛潜力。例如，该团队使用这一技能实现了以 P K U 及 中 国 等图案天生的光频阵列化相关激射，揭示了其于集成光子学、微纳光源阵列及光通讯范畴的广漠运用远景。

转自：激光之家定阅号

来历：光亮日报

作者：马仁敏，系北京年夜学物理学院传授

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