納米激光器:“小”到極致的光

激光器廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)學成像與手術(shù)、消費電子等領(lǐng)域，它深刻改變了大眾的生活。近年來，為了讓激光器的尺寸更小，科學家研制出了納米激光器——不僅進一步推動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)的相互作用開辟了新路徑。本文從光的產(chǎn)生開始，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個月，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量將翻一番，這一趨勢推動最先進的晶體管尺寸達到納米級別。目前，大眾使用的手機和電腦芯片中已能集成超過百億個晶體管，從而使這些設(shè)備具備強大的信息處理能力，推動數(shù)字與智能時代到來。與此同時，激光器的微型化則引發(fā)了光子技術(shù)革命。經(jīng)過半個多世紀發(fā)展，微型半導體激光器已廣泛應(yīng)用于通信、數(shù)據(jù)存儲、醫(yī)學成像與手術(shù)、傳感與測量、消費電子、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的微觀粒子截然不同——晶體管依賴電子，而激光器依賴光子。在可見光和近紅外波段，光子波長比晶體管中的電子波長高出3個數(shù)量級。受衍射極限的制約，這些光子能被壓縮到的最小模式體積比晶體管中的電子大了約9個數(shù)量級，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顯著推動光子技術(shù)發(fā)展，還將催生許多全新的應(yīng)用場景。設(shè)想一下，當光子像電子一樣，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，通過表面等離激元和奇點光場局域機制，激光模式體積已突破光學衍射極限，進入納米尺度，從而催生納米激光器。

1.打開探索未知的璀璨之門

 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)輻射是一個奇妙的過程，即使在完全黑暗、沒有任何外來光子的情況下，物質(zhì)也能自行發(fā)光。這是因為真空并非真正的“空無一物”，其中充滿了微小的能量波動，稱為真空零點能。真空零點能可以促使處于激發(fā)狀態(tài)的物質(zhì)釋放光子。例如，點燃一支蠟燭，便產(chǎn)生了燭光。人類利用火的歷史可以追溯到100多萬年前，火為人類祖先帶來光明和溫暖，開啟文明篇章。火焰和白熾燈都是自發(fā)輻射的光源，它們通過燃燒或加熱，使電子進入高能態(tài)，然后在真空零點能作用下，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。當外來的光子經(jīng)過處于激發(fā)狀態(tài)的物質(zhì)時，會引發(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)明距今還不到一個世紀，但它已迅速融入大眾生活，帶來翻天覆地的變化。

激光的發(fā)明為人類打開了一扇探索未知的璀璨之門。它為我們提供了強大的工具，極大推動現(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，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，為患者帶來更安全、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械和設(shè)備。在科學研究中，激光是引力波探測和量子信息技術(shù)的關(guān)鍵工具，幫助科學家揭開宇宙的神秘面紗。

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、激光雷達和激光武器，激光已無處不在，深刻地影響著世界發(fā)展。它不僅改變了我們的生活方式，更擴展了人類認識和改造自然的能力。

2.理解和利用自然的強大工具

愛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，美國科學家湯斯等首次報道了利用受激輻射實現(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)，利用長約12厘米的微波諧振腔提供反饋，實現(xiàn)了波長約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、更高強度、更高信息載量等優(yōu)勢。

 1960年，美國科學家梅曼發(fā)明了第一臺激光器。他使用一根長約1厘米的紅寶石棒作為增益介質(zhì)，棒的兩端鍍銀，充當反射鏡以提供光學反饋。在閃光燈激發(fā)下，該裝置產(chǎn)生了波長為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在同一量級。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，第一臺激光器的尺寸遠遠大于此，超過了4個數(shù)量級。將激光器縮小到與波長相當?shù)某叽纾�耗費了大約30年時間，而突破波長限制，實現(xiàn)深亞波長的激光器，則用了半個世紀。

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，這兩項發(fā)明可視為通過受激輻射實現(xiàn)了電磁波在頻率空間的局域化。受激輻射還可用于在時間、動量和空間維度上局域化電磁波。通過在這些維度上對電磁波進行局域化，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，這使我們能精確測量時間、觀察快速運動、遠距離傳輸信息和能量、實現(xiàn)設(shè)備小型化，并獲得更高的成像分辨率。

自激光問世以來，人們不斷在頻率、時間、動量和空間等維度上實現(xiàn)更強光場局域化的追求，推動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大工具。

在頻率維度上，通過高品質(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，推動多項重大科學研究取得突破，例如玻色—愛因斯坦凝聚（2001年諾貝爾物理學獎）、精密激光光譜（2005年諾貝爾物理學獎）和引力波探測（2017年諾貝爾物理學獎）。

在時間維度上，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。阿秒激光通過極致的時間局域化，能夠產(chǎn)生持續(xù)僅1個光學周期左右的光脈沖。這一突破使得觀察原子內(nèi)層電子運動等超快過程成為可能，獲得了2023年諾貝爾物理學獎。

在動量維度上，大面積單模激光器的開發(fā)實現(xiàn)了光場在動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)生的高準直激光有望推動超遠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光場局域機制，使得激光模式體積可以突破光學衍射極限，達到小于(λ/2n)3（其中λ為自由空間光波長，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意義。

3.突破光學衍射極限

在激光發(fā)明30余年后，隨著微加工技術(shù)的進步，以及對激光物理研究與激光器件的深入了解，各類微型半導體激光器相繼被開發(fā)出來，包括微盤激光器、光子晶體缺陷態(tài)激光器和納米線激光器。1992年，美國貝爾實驗室成功實現(xiàn)了首個微盤激光器，利用微盤中的回音壁模式，讓光在微盤內(nèi)反復反射，產(chǎn)生共振反饋并實現(xiàn)激射。1999年，美國加州理工大學通過在二維光子晶體中引入點缺陷來約束光，實現(xiàn)了首個光子晶體缺陷態(tài)激光器。2001年，美國加州大學伯克利分校首次利用納米線的端面作為反射鏡，成功實現(xiàn)了半導體納米線激光器。這些激光器將特征尺寸降低至單個真空波長的量級，然而由于光學衍射極限的限制，這些基于介電諧振腔的激光器難以進一步縮小。

在幾何學中，直角三角形的直角邊長度小于斜邊長度。而在微觀尺度上，要打破衍射極限，則需要兩條直角邊的長度大于斜邊。2009年，國際上有3個團隊首次實現(xiàn)了突破光學衍射極限的等離激元納米激光器。其中，加州大學伯克利分校和北京大學團隊實現(xiàn)了基于一維半導體納米線—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和美國亞利桑那州立大學團隊開發(fā)了基于金屬—半導體—金屬3層平板結(jié)構(gòu)的等離激元納米激光器；美國諾�？酥萘⒋髮W和普渡大學團隊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—殼結(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在色散方程中引入虛數(shù)單位，科學家實際上構(gòu)建了一個直角邊的長度大于斜邊的特殊三角形。正是這個特殊的三角形，允許我們在物理上實現(xiàn)更強的光場局域化。

經(jīng)過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)將光場與金屬中自由電子的集體振蕩耦合，實現(xiàn)了更強的光場局域化，但這種耦合也引入了固有的歐姆損耗，導致熱量產(chǎn)生，進而增加器件功耗，并限制其相干時間。

 2024年，北京大學團隊提出了一種全新的奇點色散方程，揭示了全介電蝴蝶結(jié)納米天線的色散特性。通過將蝴蝶結(jié)納米天線嵌入北京大學團隊提出的轉(zhuǎn)角納腔結(jié)構(gòu)中，首次在介電體系中實現(xiàn)了突破光學衍射極限的奇點介電納米激光器。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使光場得以極限壓縮，理論上能達到無限小的模式體積，遠遠小于光學衍射極限。此外，轉(zhuǎn)角納腔的精巧構(gòu)造進一步提升了光場的存儲能力，使奇點納米激光器具備超高的品質(zhì)因子，其光腔品質(zhì)因子（即光腔存儲能量與每周期損失能量的比值）可超過100萬。

北京大學團隊進一步開發(fā)了基于納米激光器的光頻相控陣技術(shù)。他們通過精準調(diào)控激光陣列中各納米激光器的激射波長和相位，成功展示了陣列化相干激射技術(shù)的強大潛力。例如，該團隊利用這一技術(shù)實現(xiàn)了以“P”“K”“U”和“中”“國”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、微納光源陣列和光通信領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景。

 （作者：馬仁敏，系北京大學物理學院教授）

　 【鏈接】

奇點介電納米激光器

奇點介電納米激光器是首次在電介質(zhì)體系中突破光學衍射極限的激光器。它將激光光場的特征尺度推進至原子級，與x射線的波長尺度相當。這一突破有望為物質(zhì)和生命科學研究提供新的原子級成像工具。與現(xiàn)有激光器相比，奇點介電納米激光器還具有更低能耗、更快調(diào)制速度和更強的光與物質(zhì)相互作用的特點，有望在信息技術(shù)、傳感探測等領(lǐng)域催生廣泛應(yīng)用。

光與物質(zhì)的相互作用是光子與物質(zhì)粒子之間能量和動量交換的過程，是物質(zhì)產(chǎn)生、控制和吸收光以及光調(diào)控材料性質(zhì)的基礎(chǔ)。由于光子波長遠大于原子尺度，傳統(tǒng)的光與物質(zhì)相互作用通常較弱。奇點介電納米激光器的光腔可以將光場限制在原子尺度，大幅增強電場強度，進而顯著增強光與物質(zhì)的相互作用。憑借超高的品質(zhì)因子和極小的模式體積，該激光器的光腔可作為研究腔量子電動力學的理想平臺，并有望實現(xiàn)單光子非線性效應(yīng)。該效應(yīng)能夠使光子之間產(chǎn)生有效相互作用，是推進光學量子計算和模擬的重要一步。