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纳米激光器重要进展：有利于保证激光相干性！

发表于：2024-05-12 作者：游戏编辑

编辑最后更新 2024年05月12日，导读近日，俄罗斯莫斯科物理技术学院的研究人员们开发出一种方法，它能找出在什么条件下，纳米激光器才是真正的激光器。背景近期，纳米激光器已经成为了一种...

导读

近日，俄罗斯莫斯科物理技术学院的研究人员们开发出一种方法，它能找出在什么条件下，纳米激光器才是真正的激光器。

背景

近期，纳米激光器已经成为了一种新型光源，它有着仅为百万分之几米的尺寸，以及与宏观激光器明显不同的特性。然而，判断在什么样的电流下，纳米激光器的输出辐射才会变得相干，几乎是不可能的。可是对于实际应用来说，区分纳米激光器的两种机制（高电流条件下具有相干输出的真正激光、低电流条件下具有非相干输出的类似LED的光线）是非常重要的。

创新

近日，俄罗斯莫斯科物理技术学院（MIPT）的研究人员们开发出一种方法，它能找出在什么条件下，纳米激光器才是真正的激光器。这项研究发表在《光学快报（Optics Express）》期刊上。

（图片来源：tsarcyanide/MIPT 新闻办公室）

技术

激光器广泛应用于家用电器、医学、工业、电信等领域。几年前，一种被称为“纳米激光器”的新型激光器问世。其设计类似基于异质结构的传统半导体激光器，这种半导体激光器已有几十年历史。然而区别在于：纳米激光器的腔体非常微小，与这些光源发出的光波长度差不多。因为它们几乎都是生成可见光与红外光，所以尺寸差不多在百万分之一米的级别。

一个辐射源要成为激光，就需要满足一系列要求，其中主要一点就是，它必须发出相干辐射。激光器的一个独特性质是与相干性密切关联，也就是出现所谓的“激光阈值”。当泵浦电流低于阈值时，输出辐射大多是自发的，其特性与传统的发光二极管（LED）没有差别。但是一旦达到阈值电流，辐射就变得相干。此时，传统的宏观激光器的发射频谱变窄，输出功率出现尖峰。后面这个特性提供了一种简单方法，它可用于判断激光阈值，换句话说，通过研究输出功率是如何随着泵浦电流变化的（图1A）。

图1：在特定温度下，输出功率与泵浦电流的依赖关系，(A)是对于传统的宏观激光器来说，(B)是对于典型的纳米激光器来说。

（图片来源：参考资料【2】）

许多纳米激光器表现得如同传统宏观激光器一样，也就是说，它们会呈现出一种阈值电流。然而，对于某些器件来说，激光阈值无法通过分析输出功率随着泵浦电流变化的曲线而准确描述出来，因为它没有独特的特征，只是一条双对数尺度上的直线（图1B中的红线）。这种纳米激光器也被称为“无阈值”的。它提出了一个问题：在什么样的电流下，它们的辐射会变得相干，或者像激光一样？

回答这个问题的显而易见的方法就是测量相干性。然而，对于纳米激光器来说，不同于发射光谱和输出功率，相干性非常难以测量。原因是，这需要能以在万亿分之一秒的尺度上记录强度波动，这是纳米激光器内部过程发生的时间尺度。

莫斯科物理技术学院 Andrey Vyshnevyy 与 Dmitry Fedyanin 找到了一条途径，绕过技术上存在挑战的直接相干性测量。他们开发出一种方法，采用主要的激光参数，量化纳米激光辐射的相干性。研究人员们称，他们的技术可以判断任何纳米激光器的阈值电流（图1B）。他们发现，即便是“无阈值”的激光器，实际上也具有一个明显的阈值电流，来区分LED机制和激光机制。低于阈值电流，这种发射辐射是不相干的；高于阈值电流，它就是相干的。

令人惊讶的是，纳米激光器的阈值电流，原来与输出特征或者发射频谱的狭窄程度（它是宏观激光器中的激光阈值的指示标志）没有任何关联。图1B清楚地表明，即使在输出特性中看到了一个非常显著的“扭结”，向激光机制的转变还是在更高的电流下才会发生。激光科学家们未曾料到纳米激光器会是这样。

Dmitry Fedyanin 表示：“我们的计算表明，在关于纳米激光器的大多数论文中，这种激光机制没有实现。尽管研究人员们在扭结之上展开了输出特性的测量，但是纳米激光器的辐射却是不相干的，因为实际的激光阈值比扭结所值高几个量级。”Dmitry Fedyanin 补充说：“通常来说，因为这些纳米激光器存在自热效应，实现相干输出根本不可能。”

因此，区分虚假的激光阈值与真实的激光阈值非常重要。虽然相干测量和计算都非常困难，但是 Vyshnevyy 和 Fedyanin 带来一个可应用于任何纳米激光器的简单公式。利用这个公式和输出特性，纳米激光器工程师们现在可以迅速地测量他们创造的结构的阈值电流（见图2）。

图2：纳米激光器的阈值电流与器件温度的之间对应关系。红色曲线表示精准值，而蓝色和绿色曲线给出了非常好的近似值。

（图片来源：参考资料【2】）

价值

Vyshnevyy 和 Fedyanin 所报告的科研成果，可提前预测纳米激光器的辐射（不管其设计如何）何时会变成相干的。这就使得工程师们可以确切地开发具有预定特性和相干性有保障的纳米激光器。

不久的将来，纳米激光器将被纳入集成光学电路中。这种电路中基于光子波导的新一代高速互连线需要这些纳米激光器，而这些互连线能将CPU与GPU的性能提升几个量级。以同样的方式，光纤光学网络的出现提升了联网速度，同时也提升了能量效率。

目前为止，这并不是纳米激光器的唯一可能的应用。研究人员们已经在开发尺寸仅为百万分之一米的化学和生物感测器，以及尺寸仅为几十亿分之一米的机械应力感测器。纳米激光器也有望用于控制生物体（包括人类）的神经元活动。

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