馬仁敏
《光明日報》( 2024年12月26日 16版)
激光器廣泛應用于通信、醫學成像與手術、消費電子等領域,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展,還為研究極端條件下光與物質的相互作用開辟了新路徑。本文從光的產生開始,帶您深入探索納米激光器的世界。
在信息技術領域,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,從而使這些設備具備強大的信息處理能力,推動數字與智能時代到來。與此同時,激光器的微型化則引發了光子技術革命。經過半個多世紀發展,微型半導體激光器已廣泛應用于通信、數據存儲、醫學成像與手術、傳感與測量、消費電子、增材制造、顯示與照明等領域。
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個數量級,即10億倍。構建納米尺度激光器的核心挑戰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發展,還將催生許多全新的應用場景。設想一下,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的精細結構,還可以制造大規模光電集成芯片,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,光產生的方式有兩種:自發輻射和受激輻射。
自發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,物質也能自行發光。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狀態的物質釋放光子。例如,點燃一支蠟燭,便產生了燭光。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輻射的光源,它們通過燃燒或加熱,使電子進入高能態,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之間更為深刻的互動。當外來的光子經過處于激發狀態的物質時,會引發物質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,極大推動現代文明發展。在信息通信領域,激光將高速光纖通信變為現實,讓全球互聯互通成為可能。在醫療方面,激光手術具有高精度和微創的特點,為患者帶來更安全、更有效的治療方法。在工業制造中,激光切割和焊接提高了生產效率和產品精度,讓人們打造出更精密的機械和設備。在科學研究中,激光是引力波探測和量子信息技術的關鍵工具,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,于1917年提出受激輻射概念,這一發現為激光的發明奠定了基礎。1954年,美國科學家湯斯等首次報道了利用受激輻射實現的微波振蕩器,即微波激射器。他們采用激發態的氨分子作為增益介質,利用長約12厘米的微波諧振腔提供反饋,實現了波長約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、更高信息載量等優勢。
1960年,美國科學家梅曼發明了第一臺激光器。他使用一根長約1厘米的紅寶石棒作為增益介質,棒的兩端鍍銀,充當反射鏡以提供光學反饋。在閃光燈激發下,該裝置產生了波長為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。按照這種比例關系,激光器的尺寸理應可以做到約700納米。然而,第一臺激光器的尺寸遠遠大于此,超過了4個數量級。將激光器縮小到與波長相當的尺寸,耗費了大約30年時間,而突破波長限制,實現深亞波長的激光器,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。因此,這兩項發明可視為通過受激輻射實現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,激光光源能夠實現極其穩定的頻率振蕩、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、實現設備小型化,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,通過高品質因子腔、反饋控制和環境隔離等技術,激光器能夠保持極其穩定的頻率,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,鎖模技術和高次諧波產生技術使得超短激光脈沖成為現實。阿秒激光通過極致的時間局域化,能夠產生持續僅1個光學周期左右的光脈沖。這一突破使得觀察原子內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實現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。納米激光器的出現對革新信息技術、研究光與物質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
在激光發明30余年后,隨著微加工技術的進步,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出來,包括微盤激光器、光子晶體缺陷態激光器和納米線激光器。1992年,美國貝爾實驗室成功實現了首個微盤激光器,利用微盤中的回音壁模式,讓光在微盤內反復反射,產生共振反饋并實現激射。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,實現了首個光子晶體缺陷態激光器。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了基于一維半導體納米線—絕緣體—金屬結構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了基于金屬—半導體—金屬3層平板結構的等離激元納米激光器;美國諾福克州立大學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—內嵌增益介質殼的核—殼結構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單位,科學家實際上構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更強的光場局域化。
經過10余年發展,等離激元納米激光器已展現出極小的模式體積、超快的調制速度和低能耗等優異特性。然而,相較于介電材料,雖然等離激元效應將光場與金屬中自由電子的集體振蕩耦合,實現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納米天線的色散特性。通過將蝴蝶結納米天線嵌入北京大學團隊提出的轉角納腔結構中,首次在介電體系中實現了突破光學衍射極限的奇點介電納米激光器。這種結構設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,轉角納腔的精巧構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因子,其光腔品質因子(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了基于納米激光器的光頻相控陣技術。他們通過精準調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的強大潛力。例如,該團隊利用這一技術實現了以“P”“K”“U”和“中”“國”等圖案生成的光頻陣列化相干激射,展現了其在集成光子學、微納光源陣列和光通信領域的廣闊應用前景。
(作者:馬仁敏,系北京大學物理學院教授)
本版圖片均為光明圖片/視覺中國
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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和生命科學研究提供新的原子級成像工具。與現有激光器相比,奇點介電納米激光器還具有更低能耗、更快調制速度和更強的光與物質相互作用的特點,有望在信息技術、傳感探測等領域催生廣泛應用。
光與物質的相互作用是光子與物質粒子之間能量和動量交換的過程,是物質產生、控制和吸收光以及光調控材料性質的基礎。由于光子波長遠大于原子尺度,傳統的光與物質相互作用通常較弱。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的相互作用。憑借超高的品質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,并有望實現單光子非線性效應。該效應能夠使光子之間產生有效相互作用,是推進光學量子計算和模擬的重要一步。
《光明日報》( 2024年12月26日 16版)
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