3、哈佛大学研发出在窄纳线尺度上的世界上最小的激光器

　　2009年哈佛大学工程学教授Federico Capasso等研究人员在直径仅为几百纳米的纳米线中，首次产生了激光输出。纳米线材料和制备技术的全球性进展，使科学家能够通过研究从放大自发辐射（ASE）到阈值以上的激光振荡的转变过程，观察纳米线中的激光输出。

　　在此之前，研究人员一直难以获得ASE的超线性区域特性与激光振荡的线性区域特性之间的激光阈值。而且，先前的观测也没有测量源于纳米线末端的高度定向光——这是激光的一个重要特性。通过与德国哥廷根大学和耶拿大学的研究人员合作，哈佛大学的研究人员于室温下在单根氧化锌（ZnO）纳米线中发现了紫外频段的光泵浦激光，并对其进行了相关测量。

　　采用简单的气相传输技术，研究人员合成了不同尺寸的单晶ZnO纳米线，这些纳米线的长度从3μm到23μm，直径大约从100nm到 375nm。然后他们将掺钕钇铝石榴石（Nd：YAG）产生的波长为355nm的三倍频激光（重复频率500Hz、脉宽6ns），聚焦为直径100μm的光束，导入单根纳米线中。他们将反射显微物镜与光谱仪耦合，并利用电荷耦合器件（CCD）捕获纳米线端面的发射光。

　　当泵浦强度逐渐升高到大约200kW/cm2时，发射光的性质符合自发辐射的特征，发射光谱为钟形，其中心波长大约为382nm，半高全宽达到 19.3nm。这时光沿着纳米线各向同性地发射，和预期的自发辐射一样，输出强度与激发强度成线性关系。当泵浦强度在200～300kW/cm2之间时，宽的发射光谱上开始出现尖锐的谱线，这表明实现了粒子数反转，并且在沿纳米线的方向上开始产生ASE纵模。在该范围内，输出功率和泵浦强度成超线性关系，这表明正在接近激光阈值。当泵浦强度大于 300kW/cm2时，发射光谱收窄到385～390nm之间，该尖锐谱线的发光强度比自发背景辐射的强度大几个数量级，这表明纳米线中确实产生了激光振荡。此时，输出功率重新与激发强度成线性关系（见图），这符合激光在阈值以上的特性。

　　Capasso说：“我们获得了强度明显超过背景辐射的光功率输出。这一点再加上大于阈值时输出功率的线性增加，都是产生激光的确凿证据，这是以前在纳米线中从未获得过的。”同时还表示下一个里程碑将是在室温下实现这些激光器的电泵浦。

　　此外，将纳米线与硅衬底的边缘剥离，就可以使用硅探测器从正面直接记录纳米线端面的发射激光——收集效率为10％时，激光功率高达60μW。另外，研究人员还发现了一个产生激光的关键阈值条件：要产生激光，纳米线的直径必须大于150nm，而纳米线的长度对产生激光没有影响。

　　图中用紫外激光沿ZnO纳米线的长度方向对其进行光泵浦（下插图）。室温下，在阈值以上的纳米线的发射峰值功率（未校正10％的收集效率）存在线性行为——这是激光输出的直接表现。简单地将纳米线与其硅衬底的边缘剥离，便能够进行直接正面发射探测（上插图）。

　　这类小型激光器可以应用于医学或量子信息处理。“合成的腔尺寸意味着这类激光器是非常可控的。未来，我们可能会使用这种小型激光器在体外探测活体细胞，以及引发光活性受体，来研究细胞的响应和路径。通过利用磁性接触，沿着纳米线注入自旋极化电子，我们将首次实现圆偏振激光。更令人激动的是，我们将会看到将纳米线激光器耦合到量子点中。”