【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近，北京大學(xué)物理學(xué)院馬仁敏研究員與其合作者通過(guò)理論分析和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)證明了等離激元納米激光器可以比傳統(tǒng)激光器體積更小、速度更快，并具有更低的閾值和功耗；并揭示了等離激元納米激光器與傳統(tǒng)激光器相比存在本質(zhì)區(qū)別，其輻射場(chǎng)可以全部為金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元形式。相關(guān)工作分別被《自然·通訊》和《科學(xué)·進(jìn)展》雜志以標(biāo)題“Unusual scaling laws for plasmonic nanolasers beyond the diffraction limit”和“Imaging the dark emission of spasers”進(jìn)行了報(bào)道。
 

　　激光器的研制加深了人們對(duì)光與物質(zhì)相互作用的認(rèn)識(shí)，并極大地推動(dòng)了現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。自激光器發(fā)明以來(lái)，其微型化一直是激光領(lǐng)域核心的研究方向之一。其目的是獲得更小體積、更高調(diào)制速度以及更低功耗的激光器。比如激光在芯片上光互連上的應(yīng)用就直接要求激光器的特征尺度接近電子器件，并且其功耗要小于成熟的電互聯(lián)，應(yīng)約在10飛焦每比特量級(jí)。激光器的功耗與其尺度呈正相關(guān)的關(guān)系，10飛焦每比特量級(jí)的功耗直接要求激光器的模式體積要小于約0.02個(gè)波長(zhǎng)立方。
 

 

圖1傳統(tǒng)激光器(左)和納米激光器(右)基本原理示意圖
 

　　過(guò)去40年中激光器的微型化已經(jīng)取得了巨大的成就，發(fā)展出了包括垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)、微盤(pán)激光器、光子晶體激光器和納米線激光器等微型化激光器。然而在這些傳統(tǒng)的光學(xué)激光器中，增益介質(zhì)是通過(guò)受激輻射放大光子，因而激光器尺寸受光學(xué)衍射極限限制，每個(gè)維度小的尺度均要大于半個(gè)波長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)微型化(圖1左)。
 

　　等離激元納米激光器是一種三維物理尺度可同時(shí)遠(yuǎn)小于出射波長(zhǎng)的新型激光器(圖1右)。這種納米激光器與傳統(tǒng)的光學(xué)激光器不同，它是通過(guò)放大金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元，而非光子，從而可實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)10納米量級(jí)特征尺度的光場(chǎng)限制。然而納米激光器中利用等離激元效應(yīng)所帶來(lái)的電磁場(chǎng)空間局域化必然伴隨著金屬吸收損耗。因此，納米激光器相比傳統(tǒng)激光器可否具有性能優(yōu)勢(shì)這一問(wèn)題一直存在爭(zhēng)論。
 

　　馬仁敏研究員與其合作者同過(guò)系統(tǒng)優(yōu)化增益材料、金屬材料以及共振腔，使納米激光器激射閾值降低至10千瓦每平方厘米水平，比目前已報(bào)道的低的納米激光器閾值低兩個(gè)量級(jí)以上，將納米激光器的閾值降至可商業(yè)化激光器的激光閾值水平。他們進(jìn)一步系統(tǒng)研究了100余組等離激元納米激光器與100余組無(wú)金屬限制的對(duì)照樣品，實(shí)驗(yàn)給出了等離激元納米激光器各關(guān)鍵性能隨尺寸變化的規(guī)律(Scaling Laws)，證明了納米激光器相較于傳統(tǒng)激光器在納米尺度可以同時(shí)具有更小的物理尺寸、更快的調(diào)制速度、更低的閾值與功耗(圖2)。該工作發(fā)表于《自然·通訊》(8，1889，2017)。
 

 

　　圖2等離激元納米激光器可以比傳統(tǒng)光學(xué)激光器體積更小(a)，功耗更低(b)，速度更快(c)
 

　　在今年發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》(3，e1601962，2017)的另一項(xiàng)工作中，馬仁敏研究員與合作者采用漏輻射顯微成像技術(shù)，通過(guò)動(dòng)量匹配的方法將納米激光器的表面等離激元暗輻射耦合到遠(yuǎn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)空間、動(dòng)量空間和頻譜空間的直接成像，如圖3所示。結(jié)果表明納米激光器與傳統(tǒng)激光器相比存在本質(zhì)區(qū)別，其輻射場(chǎng)可以全部為金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元形式。該工作揭示了納米激光器的輻射能量可以耦合到傳播模式的表面等離激元，為對(duì)納米激光器進(jìn)行進(jìn)一步操控和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
 

 

圖3納米激光器實(shí)空間(a)、動(dòng)量空間(b)和頻率空間(c)成像圖
 

　　北大博士生王所和博士后王興遠(yuǎn)為《自然·通訊》論文共同作者；北大博士生陳華洲、2011級(jí)本科生胡家祺和博士生王所為《科學(xué)·進(jìn)展》論文共同作者；主要合作者包括北京大學(xué)戴倫教授和英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)Rupert Oulton教授；馬仁敏研究員為兩篇論文的通訊作者。這兩項(xiàng)工作得到了“青年千人”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。
 

　　(原標(biāo)題：《自然·通訊》和《科學(xué)·進(jìn)展》報(bào)道物理學(xué)院納米半導(dǎo)體與光電子物理團(tuán)隊(duì)馬仁敏、戴倫等在納米激光領(lǐng)域的研究進(jìn)展)