纳米激光器:“小”到极致的光

激光器广泛应用于通信、医学成像与手术、消费电子等领域，它深刻改变了大众的生活。近年来，为了让激光器的尺寸更小，科学家研制出了纳米激光器——不仅进一步推动光子器件的小型化与集成化发展，还为研究极端条件下光与物质的相互作用开辟了新路径。本文从光的产生开始，带您深入探索纳米激光器的世界。

在信息技术领域，晶体管和激光器是两大核心元件。晶体管的微型化推动电子芯片飞速发展，并催生广为人知的摩尔定律——每隔约18个月，集成电路上可容纳的晶体管数量将翻一番，这一趋势推动最先进的晶体管尺寸达到纳米级别。目前，大众使用的手机和电脑芯片中已能集成超过百亿个晶体管，从而使这些设备具备强大的信息处理能力，推动数字与智能时代到来。与此同时，激光器的微型化则引发了光子技术革命。经过半个多世纪发展，微型半导体激光器已广泛应用于通信、数据存储、医学成像与手术、传感与测量、消费电子、增材制造、显示与照明等领域。

相比晶体管，缩小激光器的难度更大，这主要在于两者所依赖的微观粒子截然不同——晶体管依赖电子，而激光器依赖光子。在可见光和近红外波段，光子波长比晶体管中的电子波长高出3个数量级。受衍射极限的制约，这些光子能被压缩到的最小模式体积比晶体管中的电子大了约9个数量级，即10亿倍。构建纳米尺度激光器的核心挑战在于如何突破衍射极限，将光子的体积“压缩”到极限。攻克这一难题不仅能显著推动光子技术发展，还将催生许多全新的应用场景。设想一下，当光子像电子一样，可以在纳米尺度上被灵活操控，我们就可以用光直接观察DNA的精细结构，还可以制造大规模光电集成芯片，信息处理速度和效率将得到飞跃性提升。

近年来，通过表面等离激元和奇点光场局域机制，激光模式体积已突破光学衍射极限，进入纳米尺度，从而催生纳米激光器。

1.打开探索未知的璀璨之门

在自然界，光产生的方式有两种:自发辐射和受激辐射。

自发辐射是一个奇妙的过程，即使在完全黑暗、没有任何外来光子的情况下，物质也能自行发光。这是因为真空并非真正的“空无一物”，其中充满了微小的能量波动，称为真空零点能。真空零点能可以促使处于激发状态的物质释放光子。例如，点燃一支蜡烛，便产生了烛光。人类利用火的历史可以追溯到100多万年前，火为人类祖先带来光明和温暖，开启文明篇章。火焰和白炽灯都是自发辐射的光源，它们通过燃烧或加热，使电子进入高能态，然后在真空零点能作用下，释放出光子，照亮世界。

受激辐射则揭示了光与物质之间更为深刻的互动。当外来的光子经过处于激发状态的物质时，会引发物质释放出与入射光子完全相同的新光子。这种被“复制”出的光子，使得光束具有高度的方向性和一致性，这便是我们熟悉的激光。虽然激光的发明距今还不到一个世纪，但它已迅速融入大众生活，带来翻天覆地的变化。

激光的发明为人类打开了一扇探索未知的璀璨之门。它为我们提供了强大的工具，极大推动现代文明发展。在信息通信领域，激光将高速光纤通信变为现实，让全球互联互通成为可能。在医疗方面，激光手术具有高精度和微创的特点，为患者带来更安全、更有效的治疗方法。在工业制造中，激光切割和焊接提高了生产效率和产品精度，让人们打造出更精密的机械和设备。在科学研究中，激光是引力波探测和量子信息技术的关键工具，帮助科学家揭开宇宙的神秘面纱。

从日常生活中的激光打印、医疗美容到前沿科技的可控核聚变、激光雷达和激光武器，激光已无处不在，深刻地影响着世界发展。它不仅改变了我们的生活方式，更扩展了人类认识和改造自然的能力。

2.理解和利用自然的强大工具

爱因斯坦受到普朗克的黑体辐射定律启发，于1917年提出受激辐射概念，这一发现为激光的发明奠定了基础。1954年，美国科学家汤斯等首次报道了利用受激辐射实现的微波振荡器，即微波激射器。他们采用激发态的氨分子作为增益介质，利用长约12厘米的微波谐振腔提供反馈，实现了波长约12.56厘米的微波激射。微波激射器被视为激光器的前身，但激光器能够产生更高频率的相干辐射，具有更小体积、更高强度、更高信息载量等优势。

1960年，美国科学家梅曼发明了第一台激光器。他使用一根长约1厘米的红宝石棒作为增益介质，棒的两端镀银，充当反射镜以提供光学反馈。在闪光灯激发下，该装置产生了波长为694.3纳米的激光输出。值得注意的是，微波激射器的尺寸与其波长在同一量级。按照这种比例关系，激光器的尺寸理应可以做到约700纳米。然而，第一台激光器的尺寸远远大于此，超过了4个数量级。将激光器缩小到与波长相当的尺寸，耗费了大约30年时间，而突破波长限制，实现深亚波长的激光器，则用了半个世纪。

与普通光源相比，微波激射器和激光器的辐射能量集中在极窄的频率范围内。因此，这两项发明可视为通过受激辐射实现了电磁波在频率空间的局域化。受激辐射还可用于在时间、动量和空间维度上局域化电磁波。通过在这些维度上对电磁波进行局域化，激光光源能够实现极其稳定的频率振荡、超短的脉冲、高度的方向性和极小的模式体积，这使我们能精确测量时间、观察快速运动、远距离传输信息和能量、实现设备小型化，并获得更高的成像分辨率。

自激光问世以来，人们不断在频率、时间、动量和空间等维度上实现更强光场局域化的追求，推动激光物理研究和激光器件迅速发展，使激光成为理解和利用自然的强大工具。

在频率维度上，通过高品质因子腔、反馈控制和环境隔离等技术，激光器能够保持极其稳定的频率，推动多项重大科学研究取得突破，例如玻色—爱因斯坦凝聚、精密激光光谱(2005年诺贝尔物理学奖)和引力波探测(2017年诺贝尔物理学奖)。

在时间维度上，锁模技术和高次谐波产生技术使得超短激光脉冲成为现实。阿秒激光通过极致的时间局域化，能够产生持续仅1个光学周期左右的光脉冲。这一突破使得观察原子内层电子运动等超快过程成为可能，获得了2023年诺贝尔物理学奖。

在动量维度上，大面积单模激光器的开发实现了光场在动量空间的高度局域化，使激光光束具有高度的方向性，由此产生的高准直激光有望推动超远距离星际间高速光通信的发展。

在空间维度上，引入表面等离激元和奇点光场局域机制，使得激光模式体积可以突破光学衍射极限，达到小于3(其中λ为自由空间光波长，n为材料的折射率)的尺度，从而催生出纳米激光器。纳米激光器的出现对革新信息技术、研究光与物质在极端条件下的相互作用具有深远意义。

3.突破光学衍射极限

在激光发明30余年后，随着微加工技术的进步，以及对激光物理研究与激光器件的深入了解，各类微型半导体激光器相继被开发出来，包括微盘激光器、光子晶体缺陷态激光器和纳米线激光器。1992年，美国贝尔实验室成功实现了首个微盘激光器，利用微盘中的回音壁模式，让光在微盘内反复反射，产生共振反馈并实现激射。1999年，美国加州理工大学通过在二维光子晶体中引入点缺陷来约束光，实现了首个光子晶体缺陷态激光器。2001年，美国加州大学伯克利分校首次利用纳米线的端面作为反射镜，成功实现了半导体纳米线激光器。这些激光器将特征尺寸降低至单个真空波长的量级，然而由于光学衍射极限的限制，这些基于介电谐振腔的激光器难以进一步缩小。

在几何学中，直角三角形的直角边长度小于斜边长度。而在微观尺度上，要打破衍射极限，则需要两条直角边的长度大于斜边。2009年，国际上有3个团队首次实现了突破光学衍射极限的等离激元纳米激光器。其中，加州大学伯克利分校和北京大学团队实现了基于一维半导体纳米线—绝缘体—金属结构的等离激元纳米激光器；荷兰埃因霍芬理工大学和美国亚利桑那州立大学团队开发了基于金属—半导体—金属3层平板结构的等离激元纳米激光器；美国诺福克州立大学和普渡大学团队则展示了基于局域表面等离激元共振的金属核—内嵌增益介质壳的核—壳结构等离激元纳米激光器。

换言之，等离激元纳米激光器通过在色散方程中引入虚数单位，科学家实际上构建了一个直角边的长度大于斜边的特殊三角形。正是这个特殊的三角形，允许我们在物理上实现更强的光场局域化。

经过10余年发展，等离激元纳米激光器已展现出极小的模式体积、超快的调制速度和低能耗等优异特性。然而，相较于介电材料，虽然等离激元效应将光场与金属中自由电子的集体振荡耦合，实现了更强的光场局域化，但这种耦合也引入了固有的欧姆损耗，导致热量产生，进而增加器件功耗，并限制其相干时间。

2024年，北京大学团队提出了一种全新的奇点色散方程，揭示了全介电蝴蝶结纳米天线的色散特性。通过将蝴蝶结纳米天线嵌入北京大学团队提出的转角纳腔结构中，首次在介电体系中实现了突破光学衍射极限的奇点介电纳米激光器。这种结构设计使光场得以极限压缩，理论上能达到无限小的模式体积，远远小于光学衍射极限。此外，转角纳腔的精巧构造进一步提升了光场的存储能力，使奇点纳米激光器具备超高的品质因子，其光腔品质因子可超过100万。

北京大学团队进一步开发了基于纳米激光器的光频相控阵技术。他们通过精准调控激光阵列中各纳米激光器的激射波长和相位，成功展示了阵列化相干激射技术的强大潜力。例如，该团队利用这一技术实现了以“P”“K”“U”和“中”“国”等图案生成的光频阵列化相干激射，展现了其在集成光子学、微纳光源阵列和光通信领域的广阔应用前景。

奇点介电纳米激光器

奇点介电纳米激光器是首次在电介质体系中突破光学衍射极限的激光器。它将激光光场的特征尺度推进至原子级，与x射线的波长尺度相当。这一突破有望为物质和生命科学研究提供新的原子级成像工具。与现有激光器相比，奇点介电纳米激光器还具有更低能耗、更快调制速度和更强的光与物质相互作用的特点，有望在信息技术、传感探测等领域催生广泛应用。

光与物质的相互作用是光子与物质粒子之间能量和动量交换的过程，是物质产生、控制和吸收光以及光调控材料性质的基础。由于光子波长远大于原子尺度，传统的光与物质相互作用通常较弱。奇点介电纳米激光器的光腔可以将光场限制在原子尺度，大幅增强电场强度，进而显著增强光与物质的相互作用。凭借超高的品质因子和极小的模式体积，该激光器的光腔可作为研究腔量子电动力学的理想平台，并有望实现单光子非线性效应。该效应能够使光子之间产生有效相互作用，是推进光学量子计算和模拟的重要一步。

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