納米雷射器，是指由納米線等納米材料作為諧振腔，在光激發或電激發下能夠出射雷射的微納器件。這種雷射器的尺寸往往只有數百微米甚至幾十微米，直徑更是達到納米量級，是未來薄膜顯示、集成光學等領域中的重要組成部分。
基本介紹
- 中文名：納米雷射器
- 外文名：nanolaser
起源,分類,意義,
起源
2003年1月16日出版的《自然》雜誌曾報導，美國哈佛大學成功開發出一種新型納米雷射器，它比人的頭髮絲還細千倍，安裝在微晶片上，能提高計算機磁碟和光子計算機的信息存儲量。這種新型雷射器乃是用半導體硫化鎘製成的納米線，直徑只有萬分之一毫米。2014年，浙江大學在《Nano Letters》上刊文，介紹了其開發的一種波長連續可調的納米雷射器，其出射雷射的波長範圍達到119納米，覆蓋紅綠藍三種顏色，是報導的出射光譜範圍最寬的納米雷射器。
分類
納米雷射器的分類 | |||||
（1）納米導線雷射器 2001年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員在只及人的頭髮絲千分之一的納米光導線上製造出世界最小的雷射器—納米雷射器。這種雷射器不僅能發射紫外雷射，經過調整後還能發射從藍色到深紫外的雷射。研究人員使用一種稱為取向附生的標準技術，用純氧化鋅晶體製造了這種雷射器。他們先是“培養”納米導線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長度為10000nm的純氧化鋅導線。然後，當研究人員在溫室下用另一種雷射將納米導線中的純氧化鋅晶體激活時，純氧化鋅晶體會發射波長只有17nm的雷射。這種納米雷射器最終有可能被用於鑑別化學物質，提高計算機磁碟和光子計算機的信息存儲量。 （2）紫外納米雷射器 繼微型雷射器、微碟雷射器、微環雷射器、量子雪崩雷射器問世後，美國加利福尼亞伯克利大學的化學家楊佩東及其同事製成了室溫納米雷射器。這種氧化鋅納米雷射器在光激勵下能發射線寬小於0.3nm、波長為385nm的雷射，被認為是世界上最小的雷射器，也是採用納米技術製造的首批實際器件之一。在開發的初始階段，研究人員就預言這種ZnO納米雷射器容易製作、亮度高、體積小，性能等同甚至優於GaN藍光雷射器。由於能製作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米雷射器可以進入許多今天的GaAs器件不可能涉及的套用領域。為了生長這種雷射器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長的氣相輸運法合成。首先，在藍寶石襯底上塗敷一層1 nm~3.5nm厚的金膜，然後把它放到一個氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運到襯底上，在2min~10min的生長過程內生成截面積為六邊形的2µm~10µm的納米線。研究人員發現，ZnO納米線形成天然的雷射腔，其直徑為20nm~150nm，其大部分（95%）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線的受激發射，研究人員用Nd:YAG雷射器（266nm波長，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對樣品進行光泵浦。在發射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當激射超過ZnO納米線的閾值（約為40kW/cm）時，發射光譜中會出現最高點，這些最高點的線寬小於0.3nm，比閾值以下自發射頂點的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發射強度的迅速提高使研究人員得出結論：受激發射的確發生在這些納米線中。因此，這種納米線陣列可以作為天然的諧振腔，進而成為理想的微型雷射光源。研究人員相信，這種短波長納米雷射器可套用在光計算、信息存儲和納米分析儀等領域中。 （3）量子阱雷射器 2010年前後，蝕刻在半導體片上的線路寬度將達到100nm以下，在電路中移動的將只有少數幾個電子，一個電子的增加和減少都會給電路的運行造成很大影響。為了解決這一問題，量子阱雷射器就誕生了。在量子力學中，把能夠對電子的運動產生約束並使其量子化的勢場稱之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導體雷射器的有源層中形成量子能級，使能級之間的電子躍遷支配雷射器的受激輻射，這就是量子阱雷射器。量子阱雷射器有兩種類型：量子線雷射器和量子點雷射器。 ①量子線雷射器 隨著科學家研製出功率比傳統雷射器大1000倍的量子線雷射器，從而向創造速度更快的計算機和通信設備邁進了一大步。這種雷射器可以提高音頻、視頻、網際網路及其他採用光纖網路的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學、位於新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實驗室及德國德勒斯登馬克斯·普朗克物理研究所的科學家們共同研製的。這些較高功率的雷射器會減少對昂貴的中繼器的要求，因為這些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個，再次產生雷射脈衝，脈衝在光纖中傳播時強度會減弱（中繼器）。 ②量子點雷射器 由直徑小於20nm的一堆物質構成或者相當於60個矽原子排成一串的長度的量子點，可以控制非常小的電子群的運動而不與量子效應衝突。科學家們希望用量子點代替量子線獲得更大的收穫，但是，研究人員已製成的量子點雷射器卻不盡人意。原因是多方面的，包括製造一些大小几乎完全相同的電子群有困難。大多數量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會使電子變得難以控制，並且陷入量子效應的困境。但是，通過改變材料使量子點能夠更牢地約束電子，日本電子技術實驗室的松本和史丹福大學的詹姆斯和哈里斯等少數幾位工程師最近已製成可在室溫下工作的單電子電晶體。但很多問題仍有待解決，開關速度不高，偶然的電能容易使單個電子脫離預定的路線。因此，大多數科學家正在努力研製全新的方法，而不是仿照計算機設計量子裝置。 （4）微腔雷射器 微腔雷射器是當代半導體研究領域的熱點之一，它採用了現代超精細加工技術和超薄材料加工技術，具有高集成度、低噪聲的特點，其功耗低的特點尤為顯著，100萬個雷射器同時工作，功耗只有5W。 該雷射器主要的類型就是微碟雷射器，即一種形如碟型的微腔雷射器，最早由貝爾實驗室開發成功。其內部為採用先進的蝕刻工藝蝕刻出的直徑只有幾微米、厚度只有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下面靠一個微小的底座支撐。由於半導體和空氣的折射率相差很大，微碟內產生的光在此結構內發射，直到所產生的光波積累足夠多的能量後沿著它的邊緣折射，這種雷射器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時只需大約100µA的電流。 自從McCall等人1992年報導了用低溫光抽運 InGaAsP系材料製造的微腔雷射器以來，半導體微碟雷射器先後在GaAlAs/GaAs、GaN/A1GaN、InGaN/GaN等多種新材料體系中以脈衝室溫電抽運和連續室溫電抽運和連續室溫光抽運等多種工作方式實現了雷射發射。美國加利福尼亞大學、伊利諾州Northwesten大學、貝爾實驗室、俄勒岡大學、日本YoKohama National大學和朝鮮科學與技術高級研究學院等均開展了InGaAs/InGaAsP量子阱的研究和量子級聯微碟雷射器的開發和研究，並已取得了很大的進展。 在國內，長春光學精密機械學院高功率半導體雷射國家重點實驗室和中國科學院北京半導體研究所從經典量子電動力學理論出發研究了微碟雷射器的工作原理，採用光刻、反應離子刻蝕和選擇化學腐蝕等微細加工技術製備出直徑為9.5µm、低溫光抽運InGaAs/InGaAsP多量子阱碟狀微腔雷射器。它在光通訊、光互聯和光信息處理等方面有著很好的套用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。 微腔光子技術，如微腔探測器、微腔諧振器、微腔光電晶體、微腔放大器及其集成技術研究的突破，可使超大規模集成光子迴路成為現實。因此，包括美國在內的一些已開發國家都在微腔雷射器的研究方面投人大量的人力和物力。長春光機與物理所的科技人員打破常規，用光刻方法實現了碟型微腔雷射器件的圖形轉移，用濕法及乾法刻蝕技術製作出碟型微腔結構，在國內首次研製出直徑分別為8µm、4.5µm和2µm的光泵浦InGaAs/InGaAsP微碟雷射器。其中，2µm直徑的微碟雷射器在77K溫度下的激射闊值功率為5µW，是國際上報導中的最好水平。此外，他們還在國內首次研製出激射波長為1.55µm，激射閾值電流為2.3mA，在77K下激射直徑為10µm的電泵浦InGaAs/InGaAsP微碟雷射器以及國際上首個帶有引出電極結構的電泵浦微柱雷射器。值得一提的是，這種微碟雷射器具有高集成度、低閾值、低功耗、低噪聲、極高的回響、可動態模式工作等優點，在光通信、光互連、光信息處理等方面的套用前景廣闊，可用於大規模光子器件集成光路，並可與光纖通信網路和大規模、超大規模積體電路匹配，組成光電子信息集成網路，是當代信息高速公路技術中最理想的光源；同時，可以和其他光電子元件實現單元集成，用於邏輯運算、光網路中的光互連等。 （5）新型納米雷射器 據報導，世界上最早的納米雷射器是由美國加州大學伯克利分校的科學家於2001年製造的，當時使用的是氧化鋅納米線，可發射紫外光，經過調整後還能發射從藍色到深紫外的雷射。但是，美中不足的是只有用另一束雷射將納米線中的氧化鋅晶體激活，其才會發射出雷射。而新型納米雷射器具備了電子自動開關的性能，無需藉助外力激活，這無疑會使其實用性大為增強。 | |||||
意義
納米雷射器研究對基礎研究和實際套用都有重要意義。首先，二維材料作為最薄的光學增益材料，已被證明可以支持低溫下的雷射運轉，但是這種單層分子材料是否足以支持室溫下的雷射運轉，在科技界尚存疑慮。室溫運轉是絕大部分雷射實際套用的前提，因而新型雷射的室溫運轉在半導體雷射發展史上具有指標性意義。另外，由於二維材料中極強的庫倫相互作用，電子和空穴總是以激子態出現，因而這種雷射實際上與一種新型的激子極化激元的玻色-愛因斯坦凝聚密切相關，是基礎物理領域最為活躍的課題之一。
