立陶宛和日本研究人员开发银纳米激光器

2024-12-23 14:20

近日，立陶宛考纳斯理工大学（KTU）与日本茨城市筑波国家材料科学研究所的研究人员携手，成功开发出一种基于银纳米立方体的新型纳米激光器。

尽管其结构微小，只能通过高倍显微镜观测，但其潜在应用前景广阔，研究团队对此充满信心。

该纳米激光器在医疗早期诊断、数据通信及安全技术等领域具有广泛的应用潜力，同时，它也有望成为研究光与物质相互作用的重要工具。激光的光放大与产生方式因应用而异，决定了辐射的颜色与激光束的质量。

据该发明的共同作者、KTU的明道加斯博士Juod?nas介绍：“纳米激光器利用比毫米小一百万倍的结构来产生和放大光，其激光辐射在极小体积的材料中生成。”

尽管纳米激光器的研究与开发已持续一段时间，但KTU及日本合作伙伴的版本在制造工艺上独具特色。他们采用银纳米立方体，这些立方体整齐排列在表面上，并填充光学活性材料，从而创建了放大光和产生激光效应所需的机制。

“银纳米立方体作为极小的单晶银颗粒，具备卓越的光学性能，是我们纳米激光器的核心组件。”KTU材料科学研究所的Juod?nas研究员表示。

这些纳米立方体通过日本KTU合作伙伴发明的独特工艺合成，确保了其精确的形状与质量。随后，利用纳米粒子自组装工艺，将这些立方体排列成二维结构。在此过程中，颗粒自然地从液体介质中排列到预先设计的模板上。

当模板参数与纳米立方体的光学特性相匹配时，会产生一种称为表面晶格共振的独特现象，从而在光学活性介质中有效地产生光。

与传统的使用反射镜产生此现象的激光器不同，KTU团队发明的纳米激光器利用带有纳米颗粒的表面。“当银纳米立方体以周期性模式排列时，光会被它们捕获。这一过程类似于游乐园的镜子大厅，但在这里，镜子是纳米立方体，而‘游客’则是光。”Juod?nas形象地比喻道。

这些被捕获的光不断积累，直至最终越过受激辐射的能量阈值，从而产生具有特定颜色和方向的强光束。激光一词即为受激辐射放大光的缩写，正是描述了这一过程。

通过使用高质量且易于生产的银纳米立方体，该激光器能够以创纪录的低能量运行，为大规模生产提供了可能。Juod?nas指出：“化学合成的银纳米立方可以大量生产，且其高质量使得我们能够采用纳米粒子自组装技术。即使排列不完美，其属性也能弥补这一不足。”

然而，在项目的早期阶段，尽管该方法的简单性本应引起关注，但立陶宛的研究资助机构却持怀疑态度。“一些怀疑者质疑我们采用的简单方法是否能创造出足够高质量的纳米激光器结构。”KTU材料科学研究所的Sigitas Tamulevicius教授说道。

尽管如此，KTU团队坚信其纳米激光器的质量，并成功获得了一个国际组织的资助。Juod?nas解释道：“经过大量的工作和实验，我们已经证明，如果使用高质量的纳米粒子，即使阵列不完美，也能实现有效效果。”

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