纳米激光器技术简介及发展应用

2012-09-19 10:54

　　美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员，已经着手开发接近“终极纳米激光器”--这是一种可尺寸可扩展、低阈值、高效、室温运转的纳米尺度级激光器。研究人员表示，目前最好的纳米激光器的主要缺陷在于阈值。

　　的Mercedeh Khajavikhan表示：“对于亚波长谐振腔而言，其损耗主要来自金属损耗，而像散射（在更小的激光器中由于更高的表体比，散射会更高）等其他损耗并不起主导作用。因此，要超过激光阈值则需要极高的泵浦功率。由于金属损耗高，以前大多数纳米激光器的设计，均采用类似于常规纳米亚波长激光器的设计以获得空间光受限，这样可以避免光场聚集到金属附近。我们的目标是获得一种尺寸可调的微型化激光器结构。”

　　Khajavikhan解释说，研究小组采取不同于以往的小型激光器设计方法，而是采用了一种纳米尺度的同轴型谐振腔。电气工程师们对该结构非常熟悉，并且其在微波领域广泛用于传输线。同轴谐振腔之所以适用于纳米激光器，是因为不管尺寸多小，该结构仅支持单个电磁横模。因此Khajavikhan称“它们是极小尺寸亚波长激光器的理想选择”。

　　该研究小组制作了大量100nm和175nm的激光谐振腔，每个谐振腔都有一个中心金属棒，金属棒周围依次环绕空气、铟镓砷磷和硅。整个谐振腔封装在银/铝合金内。空气和硅“填塞物”用于增强模受限。该激光器采用商用的1064nm激光器进行光学泵浦。

图为同轴纳米激光器的结构示意图（a）以及模场分布（b和d）

（c）图显示了该纳米激光器的扫描电子显微图像。

　　纳米尺寸设计起到两个作用。首先，在纳秒量级的小尺寸下，腔量子电动力学效应能够将任何自发发射直接耦合到激光模式。此外，限定激光的横向电磁模式尺寸仅为发射激光波长的1/15。

　　研究人员对1260~1590nm之间的输出模式进行成像，以显示它们的横向电磁模式特征。此外，这些装置能够将99%的自发发射耦合到激光模式。

　　该研究小组非常清楚这种无阈值激光器将拥有多种应用前景，因此研究人员正致力于实现用电泵浦以取代光泵浦。Khajavikhan表示：“认识到这些装置的广阔前景之后，我们的目标并仅仅局限于实现电泵浦。”