納米激光器的概念及其主要分類(lèi)

納米激光器是由納米線(xiàn)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百微米甚至幾十微米，直徑更是達到納米量級，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日出版的雜志曾報道，美國哈佛大學(xué)成功開(kāi)發(fā)出一種新型納米激光器，它比人的頭發(fā)絲還細千倍，安裝在微芯片上，能提高計算機磁盤(pán)和光子計算機的信息存儲量。這種新型激光器乃是用半導體硫化鎘制成的納米線(xiàn)，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(cháng)連續可調的納米激光器，其出射激光的波長(cháng)范圍達到119納米，覆蓋紅綠藍三種顏色，是目前報道的出射光譜范圍最寬的納米激光器。

納米激光器的分類(lèi)：

1.納米導線(xiàn)激光器

2001年，美國加利福尼亞大學(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線(xiàn)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)調整后還能發(fā)射從藍色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱(chēng)為取向附生的標準技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是“培養”納米導線(xiàn)，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長(cháng)度為10000nm的純氧化鋅導線(xiàn)。然后，當研究人員在溫室下用另一種激光將納米導線(xiàn)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(cháng)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)，提高計算機磁盤(pán)和光子計算機的信息存儲量。

2.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(wèn)世后，美國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下能發(fā)射線(xiàn)寬小于0.3nm、波長(cháng)為385nm的激光，被認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藍光激光器。由于能制作高密度納米線(xiàn)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用領(lǐng)域。為了生長(cháng)這種激光器，ZnO納米線(xiàn)要用催化外延晶體生長(cháng)的氣相輸運法合成。首先，在藍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蒸汽輸運到襯底上，在2min~10min的生長(cháng)過(guò)程內生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線(xiàn)。研究人員發(fā)現，ZnO納米線(xiàn)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(xiàn)的受激發(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長(cháng)，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對樣品進(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，當激射超過(guò)ZnO納米線(xiàn)的閾值（約為40kW/cm）時(shí)，發(fā)射光譜中會(huì )出現最高點(diǎn)，這些最高點(diǎn)的線(xiàn)寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點(diǎn)的線(xiàn)寬小1/50以上。這些窄的線(xiàn)寬及發(fā)射強度的迅速提高使研究人員得出結論：受激發(fā)射的確發(fā)生在這些納米線(xiàn)中。因此，這種納米線(xiàn)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(cháng)納米激光器可應用在光計算、信息存儲和納米分析儀等領(lǐng)域中。  

3.量子阱激光器  

2010年前后，蝕刻在半導體片上的線(xiàn)路寬度將達到100nm以下，在電路中移動(dòng)的將只有少數幾個(gè)電子，一個(gè)電子的增加和減少都會(huì )給電路的運行造成很大影響。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，把能夠對電子的運動(dòng)產(chǎn)生約束并使其量子化的勢場(chǎng)稱(chēng)之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導體激光器的有源層中形成量子能級，使能級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(lèi)型：量子線(xiàn)激光器和量子點(diǎn)激光器。  

①量子線(xiàn)激光器  

隨著(zhù)科學(xué)家研制出功率比傳統激光器大1000倍的量子線(xiàn)激光器，從而向創(chuàng )造速度更快的計算機和通信設備邁進(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)驗室及德國德累斯頓馬克斯·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 )減少對昂貴的中繼器的要求，因為這些中繼器在通信線(xiàn)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)構成或者相當于60個(gè)硅原子排成一串的長(cháng)度的量子點(diǎn)，可以控制非常小的電子群的運動(dòng)而不與量子效應沖突?？茖W(xué)家們希望用量子點(diǎn)代替量子線(xiàn)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)驗室的松本和斯坦福大學(xué)的詹姆斯和哈里斯等少數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)電子脫離預定的路線(xiàn)。因此，大多數科學(xué)家正在努力研制全新的方法，而不是仿照計算機設計量子裝置。 

4.微腔激光器  

微腔激光器是當代半導體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，它采用了現代超精細加工技術(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(zhù)，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(lèi)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)驗室開(kāi)發(fā)成功。其內部為采用先進(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。由于半導體和空氣的折射率相差很大，微碟內產(chǎn)生的光在此結構內發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后沿著(zhù)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年報道了用低溫光抽運 InGaAsP系材料制造的微腔激光器以來(lái)，半導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和連續室溫電抽運和連續室溫光抽運等多種工作方式實(shí)現了激光發(fā)射。美國加利福尼亞大學(xué)、伊利諾伊州Northwesten大學(xué)、貝爾實(shí)驗室、俄勒岡大學(xué)、日本YoKohama National大學(xué)和朝鮮科學(xué)與技術(shù)高級研究學(xué)院等均開(kāi)展了InGaAs/InGaAsP量子阱的研究和量子級聯(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。  

在國內，長(cháng)春光學(xué)精密機械學(xué)院高功率半導體激光國家重點(diǎn)實(shí)驗室和中國科學(xué)院北京半導體研究所從經(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、反應離子刻蝕和選擇化學(xué)腐蝕等微細加工技術(shù)制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運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(zhù)很好的應用前景，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，可使超大規模集成光子回路成為現實(shí)。因此，包括美國在內的一些發(fā)達國家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。長(cháng)春光機與物理所的科技人員打破常規，用光刻方法實(shí)現了碟型微腔激光器件的圖形轉移，用濕法及干法刻蝕技術(shù)制作出碟型微腔結構，在國內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，是國際上報道中的最好水平。此外，他們還在國內首次研制出激射波長(cháng)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微碟激光器以及國際上首個(gè)帶有引出電極結構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、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用前景廣闊，可用于大規模光子器件集成光路，并可與光纖通信網(wǎng)絡(luò )和大規模、超大規模集成電路匹配，組成光電子信息集成網(wǎng)絡(luò )，是當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)現單元集成，用于邏輯運算、光網(wǎng)絡(luò )中的光互連等。  

5.新型納米激光器  

據報道，世界上最早的納米激光器是由美國加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家于2001年制造的，當時(shí)使用的是氧化鋅納米線(xiàn)，可發(fā)射紫外光，經(jīng)過(guò)調整后還能發(fā)射從藍色到深紫外的激光。但是，美中不足的是只有用另一束激光將納米線(xiàn)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。

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