北京大學馬仁敏課題組：「更小、更快、更低功耗」的等離激元納米激光器

北京大學物理學院馬仁敏研究員與其合作者通過理論分析和系統實驗證明了等離激元納米激光器可以比傳統激光器體積更小，速度更快，並具有更低的閾值和功耗。

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激光器的研製加深了人們對光與物質相互作用的認識，並極大地推動了現代科學與技術的發展。自激光器發明以來，其微型化一直是激光領域核心的研究方向之一。其目的是獲得更小體積、更高調製速度以及更低功耗的激光器。比如，激光在晶元上光互連的應用就直接要求激光器的特徵尺度接近電子器件，並且其功耗要小於成熟的電互聯，大約在10飛焦每比特量級。激光器的功耗與其尺度呈正相關的關係，10飛焦每比特量級的功耗直接要求激光器的模式體積要小於約0.02個波長立方。

過去四十年中，激光器的微型化已經取得了巨大的成就，發展出了包括垂直腔面發射激光器（VCSEL）、微盤激光器、光子晶體激光器和納米線激光器等微型化激光器。尤其是垂直腔面發射激光器已經被廣泛應用於光纖通信、感測、列印等領域。然而在這些傳統的光學激光器中，增益介質是通過受激輻射放大光子，因而激光器尺寸受光學衍射極限限制，每個維度最小的尺度均要大於半個波長，難以實現微型化（如圖1左圖所示）。

圖1 傳統激光器（左）和納米激光器（右）基本原理示意圖

等離激元納米激光器是一種三維物理尺度可同時遠小於出射波長的新型激光器（如圖1右圖所示）。這種納米激光器與傳統的光學激光器不同，它是通過放大金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元，而非光子，從而可實現深亞波長10納米量級特徵尺度的光場限制。然而納米激光器中利用等離激元效應所帶來的電磁場空間局域化必然伴隨著金屬吸收損耗。因此，納米激光器相比於傳統激光器可否具有性能優勢這一問題一直存在爭論。

馬仁敏研究員與其合作者通過系統優化增益材料、金屬材料以及共振腔，使納米激光器激射閾值降低至10千瓦每平方厘米水平（如圖2所示），比目前已報導的最低的納米激光器的閾值低兩個量級以上。首次將納米激光器的閾值降至可商業化激光器的激光閾值水平。

圖2 納米激光器的激光光譜與原子力顯微鏡照片(a) 隨功率變化的光譜(b)和輸入-輸出功率曲線(c)

研究人員進一步系統研究了約100餘組等離激元納米激光器與約100餘組無金屬限制的對照樣品（如圖3所示），實驗給出了等離激元納米激光器各關鍵性能隨尺寸變化的規律（Scaling Laws），證明了納米激光器相較於傳統激光器在納米尺度可以同時具有更小的物理尺寸、更快的調製速度、更低的閾值與功耗，並給出了確定的物理機制。實驗給出的納米激光器的模式體積可小至約0.01個波長立方，比無金屬限制光學模式激光器小約一個量級；同時其功耗與光學模式激光器不同，可持續隨其體積變小；在相同閾值情況下納米激光器具有明顯地更快的輻射速率，顯示其具有更快的調製速率（如圖4所示）。

圖3 等離激元納米激光器(a)與光學模式激光器(b)結構和對應的光場分布

圖4 等離激元納米激光器可以比傳統光學激光器體積更小 (a)；功耗更低 (b)；速度更快 (c)

相關成果以Unusual scaling laws for plasmonic nanolasers beyond the diffraction limit為題，發表在Nature Communications [8, 1889 (2017)]上，並迅速被Nature Materials以News & Views形式專題報導，評價該研究成果「are of high importance」，解決了納米光學領域一個「long-standing question」，為激光器微型化鋪平了道路（Nature Materials, Doi:10.1038/nmat5065）。北大博士生王所和博士後王興遠為論文共同第一作者，馬仁敏研究員為論文通訊作者；主要合作者包括北京大學戴倫教授和英國帝國理工大學Rupert Oulton教授。這項工作得到了青年千人項目、國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心等的支持。

論文鏈接：

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