納米激光器:“小”到的光

激光器廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)學(xué)成像與手術(shù)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，它深刻改變了大眾的生活。近年來(lái)，為了讓激光器的尺寸更小，科學(xué)家研制出了納米激光器——不僅進(jìn)一步推動(dòng)光子器件的小型化與集成化發(fā)展，還為研究極端條件下光與物質(zhì)的相互作用開(kāi)辟了新路徑。本文從光的產(chǎn)生開(kāi)始，帶您深入探索納米激光器的世界。  

 在信息技術(shù)領(lǐng)域，晶體管和激光器是兩大核心元件。晶體管的微型化推動(dòng)電子芯片飛速發(fā)展，并催生廣為人知的摩爾定律——每隔約18個(gè)月，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量將翻一番，這一趨勢(shì)推動(dòng)先進(jìn)的晶體管尺寸達(dá)到納米級(jí)別。目前，大眾使用的手機(jī)和電腦芯片中已能集成超過(guò)百億個(gè)晶體管，從而使這些設(shè)備具備強(qiáng)大的信息處理能力，推動(dòng)數(shù)字與智能時(shí)代到來(lái)。與此同時(shí)，激光器的微型化則引發(fā)了光子技術(shù)革命。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)發(fā)展，微型半導(dǎo)體激光器已廣泛應(yīng)用于通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、醫(yī)學(xué)成像與手術(shù)、傳感與測(cè)量、消費(fèi)電子、增材制造、顯示與照明等領(lǐng)域。  

 相比晶體管，縮小激光器的難度更大，這主要在于兩者所依賴(lài)的微觀粒子截然不同——晶體管依賴(lài)電子，而激光器依賴(lài)光子。在可見(jiàn)光和近紅外波段，光子波長(zhǎng)比晶體管中的電子波長(zhǎng)高出3個(gè)數(shù)量級(jí)。受衍射極限的制約，這些光子能被壓縮到的小模式體積比晶體管中的電子大了約9個(gè)數(shù)量級(jí)，即10億倍。構(gòu)建納米尺度激光器的核心挑戰(zhàn)在于如何突破衍射極限，將光子的體積“壓縮”到極限。攻克這一難題不僅能推動(dòng)光子技術(shù)發(fā)展，還將催生許多全新的應(yīng)用場(chǎng)景。設(shè)想一下，當(dāng)光子像電子一樣，可以在納米尺度上被靈活操控，我們就可以用光直接觀察DNA的精細(xì)結(jié)構(gòu)，還可以制造大規(guī)模光電集成芯片，信息處理速度和效率將得到飛躍性提升。  

  近年來(lái)，通過(guò)表面等離激元和奇點(diǎn)光場(chǎng)局域機(jī)制，激光模式體積已突破光學(xué)衍射極限，進(jìn)入納米尺度，從而催生納米激光器。   1.打開(kāi)探索未知的璀璨之門(mén)    在自然界，光產(chǎn)生的方式有兩種：自發(fā)輻射和受激輻射。

  自發(fā)輻射是一個(gè)奇妙的過(guò)程，即使在完全黑暗、沒(méi)有任何外來(lái)光子的情況下，物質(zhì)也能自行發(fā)光。這是因?yàn)檎婵詹⒎钦嬲摹翱諢o(wú)一物”，其中充滿(mǎn)了微小的能量波動(dòng)，稱(chēng)為真空零點(diǎn)能。真空零點(diǎn)能可以促使處于激發(fā)狀態(tài)的物質(zhì)釋放光子。例如，點(diǎn)燃一支蠟燭，便產(chǎn)生了燭光。人類(lèi)利用火的歷史可以追溯到100多萬(wàn)年前，火為人類(lèi)祖先帶來(lái)光明和溫暖，開(kāi)啟文明篇章?；鹧婧桶谉霟舳际亲园l(fā)輻射的光源，它們通過(guò)燃燒或加熱，使電子進(jìn)入高能態(tài)，然后在真空零點(diǎn)能作用下，釋放出光子，照亮世界。

  受激輻射則揭示了光與物質(zhì)之間更為深刻的互動(dòng)。當(dāng)外來(lái)的光子經(jīng)過(guò)處于激發(fā)狀態(tài)的物質(zhì)時(shí)，會(huì)引發(fā)物質(zhì)釋放出與入射光子完全相同的新光子。這種被“復(fù)制”出的光子，使得光束具有高度的方向性和一致性，這便是我們熟悉的激光。雖然激光的發(fā)明距今還不到一個(gè)世紀(jì)，但它已迅速融入大眾生活，帶來(lái)翻天覆地的變化。  

 激光的發(fā)明為人類(lèi)打開(kāi)了一扇探索未知的璀璨之門(mén)。它為我們提供了強(qiáng)大的工具，極大推動(dòng)現(xiàn)代文明發(fā)展。在信息通信領(lǐng)域，激光將高速光纖通信變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，讓全球互聯(lián)互通成為可能。在醫(yī)療方面，激光手術(shù)具有高精度和微創(chuàng)的特點(diǎn)，為患者帶來(lái)安全、更有效的治療方法。在工業(yè)制造中，激光切割和焊接提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度，讓人們打造出更精密的機(jī)械和設(shè)備。在科學(xué)研究中，激光是引力波探測(cè)和量子信息技術(shù)的關(guān)鍵工具，幫助科學(xué)家揭開(kāi)宇宙的神秘面紗。  

 從日常生活中的激光打印、醫(yī)療美容到前沿科技的可控核聚變、激光雷達(dá)和激光武器，激光已無(wú)處不在，深刻地影響著世界發(fā)展。它不僅改變了我們的生活方式，更擴(kuò)展了人類(lèi)認(rèn)識(shí)和改造自然的能力。  

 2.理解和利用自然的強(qiáng)大工具  

 愛(ài)因斯坦受到普朗克的黑體輻射定律啟發(fā)，于1917年提出受激輻射概念，這一發(fā)現(xiàn)為激光的發(fā)明奠定了基礎(chǔ)。1954年，美國(guó)科學(xué)家湯斯等首報(bào)道了利用受激輻射實(shí)現(xiàn)的微波振蕩器，即微波激射器。他們采用激發(fā)態(tài)的氨分子作為增益介質(zhì)，利用長(zhǎng)約12厘米的微波諧振腔提供反饋，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)約12.56厘米的微波激射。微波激射器被視為激光器的前身，但激光器能夠產(chǎn)生更高頻率的相干輻射，具有更小體積、更高強(qiáng)度、更高信息載量等優(yōu)勢(shì)。  

  1960年，美國(guó)科學(xué)家梅曼發(fā)明了第一臺(tái)激光器。他使用一根長(zhǎng)約1厘米的紅寶石棒作為增益介質(zhì)，棒的兩端鍍銀，充當(dāng)反射鏡以提供光學(xué)反饋。在閃光燈激發(fā)下，該裝置產(chǎn)生了波長(zhǎng)為694.3納米的激光輸出。值得注意的是，微波激射器的尺寸與其波長(zhǎng)在同一量級(jí)。按照這種比例關(guān)系，激光器的尺寸理應(yīng)可以做到約700納米。然而，第一臺(tái)激光器的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此，超過(guò)了4個(gè)數(shù)量級(jí)。將激光器縮小到與波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)某叽?，耗費(fèi)了大約30年時(shí)間，而突破波長(zhǎng)限制，實(shí)現(xiàn)深亞波長(zhǎng)的激光器，則用了半個(gè)世紀(jì)。   

與普通光源相比，微波激射器和激光器的輻射能量集中在極窄的頻率范圍內(nèi)。因此，這兩項(xiàng)發(fā)明可視為通過(guò)受激輻射實(shí)現(xiàn)了電磁波在頻率空間的局域化。受激輻射還可用于在時(shí)間、動(dòng)量和空間維度上局域化電磁波。通過(guò)在這些維度上對(duì)電磁波進(jìn)行局域化，激光光源能夠?qū)崿F(xiàn)極其穩(wěn)定的頻率振蕩、超短的脈沖、高度的方向性和極小的模式體積，這使我們能精確測(cè)量時(shí)間、觀察快速運(yùn)動(dòng)、遠(yuǎn)距離傳輸信息和能量、實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化，并獲得更高的成像分辨率。

  自激光問(wèn)世以來(lái)，人們不斷在頻率、時(shí)間、動(dòng)量和空間等維度上實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)光場(chǎng)局域化的追求，推動(dòng)激光物理研究和激光器件迅速發(fā)展，使激光成為理解和利用自然的強(qiáng)大工具。   在頻率維度上，通過(guò)高品質(zhì)因子腔、反饋控制和環(huán)境隔離等技術(shù)，激光器能夠保持極其穩(wěn)定的頻率，推動(dòng)多項(xiàng)重大科學(xué)研究取得突破，例如玻色—愛(ài)因斯坦凝聚（2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）、精密激光光譜（2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）和引力波探測(cè)（2017年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。  

 在時(shí)間維度上，鎖模技術(shù)和高次諧波產(chǎn)生技術(shù)使得超短激光脈沖成為現(xiàn)實(shí)。阿秒激光通過(guò)的時(shí)間局域化，能夠產(chǎn)生持續(xù)僅1個(gè)光學(xué)周期左右的光脈沖。這一突破使得觀察原子內(nèi)層電子運(yùn)動(dòng)等超快過(guò)程成為可能，獲得了2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。   

在動(dòng)量維度上，大面積單模激光器的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了光場(chǎng)在動(dòng)量空間的高度局域化，使激光光束具有高度的方向性，由此產(chǎn)生的高準(zhǔn)直激光有望推動(dòng)超遠(yuǎn)距離星際間高速光通信的發(fā)展。   在空間維度上，引入表面等離激元和奇點(diǎn)光場(chǎng)局域機(jī)制，使得激光模式體積可以突破光學(xué)衍射極限，達(dá)到小于(λ/2n)3（其中λ為自由空間光波長(zhǎng)，n為材料的折射率）的尺度，從而催生出納米激光器。納米激光器的出現(xiàn)對(duì)革新信息技術(shù)、研究光與物質(zhì)在極端條件下的相互作用具有深遠(yuǎn)意義。   

3.突破光學(xué)衍射極限  

 在激光發(fā)明30余年后，隨著微加工技術(shù)的進(jìn)步，以及對(duì)激光物理研究與激光器件的深入了解，各類(lèi)微型半導(dǎo)體激光器相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，包括微盤(pán)激光器、光子晶體缺陷態(tài)激光器和納米線(xiàn)激光器。1992年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)了首微盤(pán)激光器，利用微盤(pán)中的回音壁模式，讓光在微盤(pán)內(nèi)反復(fù)反射，產(chǎn)生共振反饋并實(shí)現(xiàn)激射。1999年，美國(guó)加州理工大學(xué)通過(guò)在二維光子晶體中引入點(diǎn)缺陷來(lái)約束光，實(shí)現(xiàn)了首光子晶體缺陷態(tài)激光器。2001年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校首利用納米線(xiàn)的端面作為反射鏡，成功實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體納米線(xiàn)激光器。這些激光器將特征尺寸降低至單個(gè)真空波長(zhǎng)的量級(jí)，然而由于光學(xué)衍射極限的限制，這些基于介電諧振腔的激光器難以進(jìn)一步縮小。   在幾何學(xué)中，直角三角形的直角邊長(zhǎng)度小于斜邊長(zhǎng)度。而在微觀尺度上，要打破衍射極限，則需要兩條直角邊的長(zhǎng)度大于斜邊。2009年，國(guó)際上有3個(gè)團(tuán)隊(duì)首實(shí)現(xiàn)了突破光學(xué)衍射極限的等離激元納米激光器。其中，加州大學(xué)伯克利分校和北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于一維半導(dǎo)體納米線(xiàn)—絕緣體—金屬結(jié)構(gòu)的等離激元納米激光器；荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)和美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于金屬—半導(dǎo)體—金屬3層平板結(jié)構(gòu)的等離激元納米激光器；美國(guó)諾?？酥萘⒋髮W(xué)和普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)則展示了基于局域表面等離激元共振的金屬核—內(nèi)嵌增益介質(zhì)殼的核—?dú)そY(jié)構(gòu)等離激元納米激光器。  

 換言之，等離激元納米激光器通過(guò)在色散方程中引入虛數(shù)單位，科學(xué)家實(shí)際上構(gòu)建了一個(gè)直角邊的長(zhǎng)度大于斜邊的特殊三角形。正是這個(gè)特殊的三角形，允許我們?cè)谖锢砩蠈?shí)現(xiàn)更強(qiáng)的光場(chǎng)局域化。  

 經(jīng)過(guò)10余年發(fā)展，等離激元納米激光器已展現(xiàn)出極小的模式體積、超快的調(diào)制速度和低能耗等優(yōu)異特性。然而，相較于介電材料，雖然等離激元效應(yīng)將光場(chǎng)與金屬中自由電子的集體振蕩耦合，實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的光場(chǎng)局域化，但這種耦合也引入了固有的歐姆損耗，導(dǎo)致熱量產(chǎn)生，進(jìn)而增加器件功耗，并限制其相干時(shí)間。  

  2024年，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的奇點(diǎn)色散方程，揭示了全介電蝴蝶結(jié)納米天線(xiàn)的色散特性。通過(guò)將蝴蝶結(jié)納米天線(xiàn)嵌入北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出的轉(zhuǎn)角納腔結(jié)構(gòu)中，首在介電體系中實(shí)現(xiàn)了突破光學(xué)衍射極限的奇點(diǎn)介電納米激光器。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使光場(chǎng)得以極限壓縮，理論上能達(dá)到無(wú)限小的模式體積，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光學(xué)衍射極限。此外，轉(zhuǎn)角納腔的精巧構(gòu)造進(jìn)一步提升了光場(chǎng)的存儲(chǔ)能力，使奇點(diǎn)納米激光器具備超高的品質(zhì)因子，其光腔品質(zhì)因子（即光腔存儲(chǔ)能量與每周期損失能量的比值）可超過(guò)100萬(wàn)。

  北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于納米激光器的光頻相控陣技術(shù)。他們通過(guò)精調(diào)控激光陣列中各納米激光器的激射波長(zhǎng)和相位，成功展示了陣列化相干激射技術(shù)的強(qiáng)大潛力。例如，該團(tuán)隊(duì)利用這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了以“P”“K”“U”和“中”“國(guó)”等圖案生成的光頻陣列化相干激射，展現(xiàn)了其在集成光子學(xué)、微納光源陣列和光通信領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。