納米激光器是由納米線等納米材料作為諧振腔，在光激發(fā)或電激發(fā)下能夠出射激光的微納器件。這種激光器的尺寸往往只有數(shù)百微米甚至幾十微米，直徑更是達(dá)到納米量級(jí)，是未來(lái)薄膜顯示、集成光學(xué)等領(lǐng)域中的重要組成部分。
2003年1月16日出版的雜志曾報(bào)道，美國(guó)哈佛大學(xué)成功開(kāi)發(fā)出一種新型納米激光器，它比人的頭發(fā)絲還細(xì)千倍，安裝在微芯片上，能提高計(jì)算機(jī)磁盤(pán)和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。這種新型激光器乃是用半導(dǎo)體硫化鎘制成的納米線，直徑只有萬(wàn)分之一毫米。2014年，浙江大學(xué)在《NanoLetters》上刊文，介紹了其開(kāi)發(fā)的一種波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的納米激光器，其出射激光的波長(zhǎng)范圍達(dá)到119納米，覆蓋紅綠藍(lán)三種顏色，是目前報(bào)道的出射光譜范圍最寬的納米激光器。
納米激光器的分類：
1.納米導(dǎo)線激光器
2001年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米光導(dǎo)線上制造出世界最小的激光器—納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外激光，經(jīng)過(guò)調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為取向附生的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是“培養(yǎng)”納米導(dǎo)線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長(zhǎng)度為10000nm的純氧化鋅導(dǎo)線。然后，當(dāng)研究人員在溫室下用另一種激光將納米導(dǎo)線中的純氧化鋅晶體激活時(shí)，純氧化鋅晶體會(huì)發(fā)射波長(zhǎng)只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學(xué)物質(zhì)，提高計(jì)算機(jī)磁盤(pán)和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。
2.紫外納米激光器
納米線波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)光放大的示意圖（左），納米線的掃描電子顯微鏡照片（右）。
繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問(wèn)世后，美國(guó)加利福尼亞伯克利大學(xué)的化學(xué)家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵(lì)下能發(fā)射線寬小于0.3nm、波長(zhǎng)為385nm的激光，被認(rèn)為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實(shí)際器件之一。在開(kāi)發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍(lán)光激光器。由于能制作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米激光器可以進(jìn)入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長(zhǎng)這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長(zhǎng)的氣相輸運(yùn)法合成。首先，在藍(lán)寶石襯底上涂敷一層1 nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個(gè)氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chǎn)生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運(yùn)到襯底上，在2min~10min的生長(zhǎng)過(guò)程內(nèi)生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發(fā)現(xiàn)，ZnO納米線形成天然的激光腔，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(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長(zhǎng)，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對(duì)樣品進(jìn)行光泵浦。在發(fā)射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當(dāng)激射超過(guò)ZnO納米線的閾值（約為40kW/cm）時(shí)，發(fā)射光譜中會(huì)出現(xiàn)最高點(diǎn)，這些最高點(diǎn)的線寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點(diǎn)的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發(fā)射強(qiáng)度的迅速提高使研究人員得出結(jié)論：受激發(fā)射的確發(fā)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(jìn)而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長(zhǎng)納米激光器可應(yīng)用在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和納米分析儀等領(lǐng)域中。
圖片說(shuō)明：基于二維材料的納米激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)示意單層二維材料，底下是一個(gè)用作激光腔的硅納米懸臂。
3.量子阱激光器
2010年前后，蝕刻在半導(dǎo)體片上的線路寬度將達(dá)到100nm以下，在電路中移動(dòng)的將只有少數(shù)幾個(gè)電子，一個(gè)電子的增加和減少都會(huì)給電路的運(yùn)行造成很大影響。為了解決這一問(wèn)題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學(xué)中，把能夠?qū)﹄娮拥倪\(yùn)動(dòng)產(chǎn)生約束并使其量子化的勢(shì)場(chǎng)稱之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導(dǎo)體激光器的有源層中形成量子能級(jí)，使能級(jí)之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。量子阱激光器有兩種類型：量子線激光器和量子點(diǎn)激光器。
①量子線激光器
隨著科學(xué)家研制出功率比傳統(tǒng)激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創(chuàng)造速度更快的計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備邁進(jìn)了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網(wǎng)及其他采用光纖網(wǎng)絡(luò)的通信方式的速度，它是由來(lái)自耶魯大學(xué)、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實(shí)驗(yàn)室及德國(guó)德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學(xué)家們共同研制的。這些較高功率的激光器會(huì)減少對(duì)昂貴的中繼器的要求，因?yàn)檫@些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個(gè)，再次產(chǎn)生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時(shí)強(qiáng)度會(huì)減弱（中繼器）。
②量子點(diǎn)激光器
由直徑小于20nm的一堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當(dāng)于60個(gè)硅原子排成一串的長(zhǎng)度的量子點(diǎn)，可以控制非常小的電子群的運(yùn)動(dòng)而不與量子效應(yīng)沖突。科學(xué)家們希望用量子點(diǎn)代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點(diǎn)激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)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(huì)使電子變得難以控制，并且陷入量子效應(yīng)的困境。但是，通過(guò)改變材料使量子點(diǎn)能夠更牢地約束電子，日本電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的松本和斯坦福大學(xué)的詹姆斯和哈里斯等少數(shù)幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問(wèn)題仍有待解決，開(kāi)關(guān)速度不高，偶然的電能容易使單個(gè)電子脫離預(yù)定的路線。因此，大多數(shù)科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是仿照計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)量子裝置。
4.微腔激光器
微腔激光器是當(dāng)代半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，它采用了現(xiàn)代超精細(xì)加工技術(shù)和超薄材料加工技術(shù)，具有高集成度、低噪聲的特點(diǎn)，其功耗低的特點(diǎn)尤為顯著，100萬(wàn)個(gè)激光器同時(shí)工作，功耗只有5W。
該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)成功。其內(nèi)部為采用先進(jìn)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?chē)强諝?，下面靠一個(gè)微小的底座支撐。由于半導(dǎo)體和空氣的折射率相差很大，微碟內(nèi)產(chǎn)生的光在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時(shí)只需大約100μA的電流。
自從McCall等人1992年報(bào)道了用低溫光抽運(yùn) InGaAsP系材料制造的微腔激光器以來(lái)，半導(dǎo)體微碟激光器先后在GaAlAs/GaAs、GaN/A1GaN、InGaN/GaN等多種新材料體系中以脈沖室溫電抽運(yùn)和連續(xù)室溫電抽運(yùn)和連續(xù)室溫光抽運(yùn)等多種工作方式實(shí)現(xiàn)了激光發(fā)射。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)、伊利諾伊州Northwesten大學(xué)、貝爾實(shí)驗(yàn)室、俄勒岡大學(xué)、日本YoKohama National大學(xué)和朝鮮科學(xué)與技術(shù)高級(jí)研究學(xué)院等均開(kāi)展了InGaAs/InGaAsP量子阱的研究和量子級(jí)聯(lián)微碟激光器的開(kāi)發(fā)和研究，并已取得了很大的進(jìn)展。
在國(guó)內(nèi)，長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院高功率半導(dǎo)體激光國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)科學(xué)院北京半導(dǎo)體研究所從經(jīng)典量子電動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕和選擇化學(xué)腐蝕等微細(xì)加工技術(shù)制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運(yùn)InGaAs/InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、光互聯(lián)和光信息處理等方面有著很好的應(yīng)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(shù)，如微腔探測(cè)器、微腔諧振器、微腔光晶體管、微腔放大器及其集成技術(shù)研究的突破，可使超大規(guī)模集成光子回路成為現(xiàn)實(shí)。因此，包括美國(guó)在內(nèi)的一些發(fā)達(dá)國(guó)家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。長(zhǎng)春光機(jī)與物理所的科技人員打破常規(guī)，用光刻方法實(shí)現(xiàn)了碟型微腔激光器件的圖形轉(zhuǎn)移，用濕法及干法刻蝕技術(shù)制作出碟型微腔結(jié)構(gòu)，在國(guó)內(nèi)首次研制出直徑分別為8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器。其中，2μm直徑的微碟激光器在77K溫度下的激射闊值功率為5μW，是國(guó)際上報(bào)道中的最好水平。此外，他們還在國(guó)內(nèi)首次研制出激射波長(zhǎng)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微碟激光器以及國(guó)際上首個(gè)帶有引出電極結(jié)構(gòu)的電泵浦微柱激光器。值得一提的是，這種微碟激光器具有高集成度、低閾值、低功耗、低噪聲、極高的響應(yīng)、可動(dòng)態(tài)模式工作等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、光互連、光信息處理等方面的應(yīng)用前景廣闊，可用于大規(guī)模光子器件集成光路，并可與光纖通信網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路匹配，組成光電子信息集成網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)代信息高速公路技術(shù)中最理想的光源；同時(shí)，可以和其他光電子元件實(shí)現(xiàn)單元集成，用于邏輯運(yùn)算、光網(wǎng)絡(luò)中的光互連等。
5.新型納米激光器
據(jù)報(bào)道，世界上最早的納米激光器是由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家于2001年制造的，當(dāng)時(shí)使用的是氧化鋅納米線，可發(fā)射紫外光，經(jīng)過(guò)調(diào)整后還能發(fā)射從藍(lán)色到深紫外的激光。但是，美中不足的是只有用另一束激光將納米線中的氧化鋅晶體激活，其才會(huì)發(fā)射出激光。而新型納米激光器具備了電子自動(dòng)開(kāi)關(guān)的性能，無(wú)需借助外力激活，這無(wú)疑會(huì)使其實(shí)用性大為增強(qiáng)。
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