納米激光器

       2003年1月16日出版的《自然》雜志曾報(bào)道，美國(guó)哈佛大學(xué)成功開發(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，直徑只有萬分之一毫米。

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)磁盤和光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量。

紫外納米激光器

　　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。

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。目前，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。

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）。

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?？茖W(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。但很多問題仍有待解決，開關(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，而不是仿照目前的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)量子裝置。

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，園碟的周圍是空氣，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，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)院等均開展了InGaAs/InGaAsP量子阱的研究和量子級(jí)聯(lián)微碟激光器的開發(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，是目前國(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。

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)開關(guān)的性能，無需借助外力激活，這無疑會(huì)使其實(shí)用性大為增強(qiáng)。

意義

　　納米激光器研究對(duì)基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用都有重要意義。首先，二維材料作為最薄的光學(xué)增益材料，已被證明可以支持低溫下的激光運(yùn)轉(zhuǎn)，但是這種單層分子材料是否足以支持室溫下的激光運(yùn)轉(zhuǎn)，在科技界尚存疑慮。室溫運(yùn)轉(zhuǎn)是絕大部分激光實(shí)際應(yīng)用的前提，因而新型激光的室溫運(yùn)轉(zhuǎn)在半導(dǎo)體激光發(fā)展史上具有指標(biāo)性意義。另外，由于二維材料中極強(qiáng)的庫倫相互作用，電子和空穴總是以激子態(tài)出現(xiàn)，因而這種激光實(shí)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(guān)，是基礎(chǔ)物理領(lǐng)域最為活躍的課題之一。

前景

　　納米激光器在很多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，以下是對(duì)其前景的詳細(xì)分析：

一、技術(shù)特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)

　　納米激光器具有尺度極小的納米光源，這使得集成光路的實(shí)現(xiàn)成為可能。此外，納米激光器還具備高發(fā)光效率和低激光閾值的潛力，同時(shí)其良好的彈性也使其成為理想的超小型激光光源。這些技術(shù)特點(diǎn)為納米激光器在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

二、應(yīng)用領(lǐng)域與前景

　　1、光通信：納米激光器在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。它提供了尺度極小的納米光源，有助于實(shí)現(xiàn)更高速率、更遠(yuǎn)距離的光纖通信。隨著智能手機(jī)、云計(jì)算、在線視頻分發(fā)等應(yīng)用的普及，全球核心電信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸量急劇增加，對(duì)高速、高頻率傳輸?shù)男枨笕找嬖黾?，這為納米激光器在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用提供了巨大市場(chǎng)。

　　2、光存儲(chǔ)：納米激光器能夠極大地增加信息的存儲(chǔ)密度，從而大大提高光盤的存儲(chǔ)空間。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，對(duì)存儲(chǔ)容量的需求不斷增長(zhǎng)，納米激光器在光存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用前景值得期待。

　　3、生物醫(yī)學(xué)與顯微成像：納米激光器在生物醫(yī)學(xué)和顯微成像領(lǐng)域的應(yīng)用也具有巨大潛力。它使得研究可以深入到細(xì)胞器甚至DNA分子等微觀結(jié)構(gòu)，為生物醫(yī)學(xué)研究提供了更精確、更深入的觀察手段。

　　4、其他領(lǐng)域：此外，納米激光器還對(duì)能源、化學(xué)分析、微納器件、量子光學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)起到極大的推動(dòng)作用。這些領(lǐng)域的快速發(fā)展將進(jìn)一步拓展納米激光器的應(yīng)用空間。

三、市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

　　根據(jù)QYResearch的最新報(bào)告，預(yù)計(jì)2030年全球Nano-ITLA（納米超緊湊型外腔集成可調(diào)諧激光器組件）市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到8億美元，未來幾年年復(fù)合增長(zhǎng)率CAGR為18.4%。這表明Nano-ITLA市場(chǎng)具有強(qiáng)勁的增長(zhǎng)潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的拓展，納米激光器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與突破

　　盡管納米激光器具有廣闊的應(yīng)用前景，但其發(fā)展仍面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，如何提高納米激光器的穩(wěn)定性和可靠性、如何降低生產(chǎn)成本、如何實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)等。未來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，這些挑戰(zhàn)有望得到逐步解決。

　　綜上所述，納米激光器作為一種新型激光器件，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)的拓展，納米激光器將在更多領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。