激光器广泛应用于通信、医学成像与手术、花费电子等范畴，它深刻改变了大年夜众的生活。近年来，为了让激光器的尺寸更小，科学家研制出了纳米激光器——不仅进一步推动光子器件的小型化与集成化成长，还为研究极端前提下光与物质的互相感化开辟了新路径。本文从光的产生开端，带您深刻摸索纳米激光器的世界。

　　在动量维度上，大年夜面积单模激光器的开辟实现了光场在动量空间的高度局域化，使激光光束具有高度的偏向性，由此产生的高准直激光有望推动超远距离星际间高速光通信的成长。

　　在信息技巧范畴，晶体管和激光器是两大年夜核心元件。晶体管的微型化推动电子芯片飞速成长，并催生广为人知的摩尔定律——每隔约18个月，集成电路上可容纳的晶体管数量将翻一番，这一趋势推动最先辈的晶体管尺寸达到纳米级别。今朝，大年夜众应用的手机和电脑芯片中已能集成跨越百亿个晶体管，从而使这些设备具备强大年夜的信息处理才能，推动数字与智能时代到来。与此同时，激光器的微型化则激发了光子技巧革命。经由半个多世纪成长，微型半导体激光器已广泛应用于通信、数据存储、医学成像与手术、传感与测量、花费电子、增材制造、显示与照明等范畴。

　　在空间维度上，引入外面等离激元和奇点光场局域机制，使得激光模式体积可以冲破光学衍射极限，达到小于(λ/2n)3（个中λ为自由空间光波长，n为材料的折射率）的标准，从而催生出纳米激光器。纳米激光器的出现对改革信息技巧、研究光与物质在极端前提下的互相作器具有深远意义。

　　比拟晶体管，缩小激光器的难度更大年夜，这重要在于两者所依附的微不雅粒子截然不合——晶体管依附电子，而激光器依附光子。在可见光和近红外波段，光子波长比晶体管中的电子波长赶过3个数量级。受衍射极限的制约，这些光子能被紧缩到的最小模式体积比晶体管中的电子大年夜了约9个数量级，即10亿倍。构建纳米标准激光器的核心挑衅在于若何冲破衍射极限，将光子的体积“紧缩”到极限。霸占这一难题不仅能明显推动光子技巧成长，还将催生很多全新的应用处景。假想一下，当光子像电子一样，可以在纳米标准上被灵活操控，我们就可以用光直接不雅察DNA的精细构造，还可以制造大年夜范围光电集成芯片，信息处理速度和效力将获得飞跃性晋升。

　　 近年来，经由过程外面等离激元和奇点光场局域机制，激光模式体积已冲破光学衍射极限，进入纳米标准，从而催生纳米激光器。

　　1.打开摸索未知的残暴之门

　　 在天然界，光产生的方法有两种：自发辐射和受激辐射。

　　自发辐射是一个奥妙的过程，即使在完全阴郁、没有任何外来光子的情况下，物质也能自行发光。这是因为真空并非真正的“空无一物”，个中充斥了渺小的能量波动，称为真空零点能。真空零点能可以促使处于激发状况的物质释放光子。例如，点燃一支蜡烛，便产生了烛光。人类应用火的汗青可以追溯到100多万年前，火为人类祖先带来光亮和暖和，开启文明篇章。火焰和白炽灯都是自发辐射的光源，它们经由过程燃烧或加热，使电子进入高能态，然后在真空零点能感化下，释放出光子，照亮世界。

　　受激辐射则揭示了光与物质之间更为深刻的互动。当外来的光子经由处于激发状况的物质时，会激发物质释放出与入射光子完全雷同的新光子。这种被“复制”出的光子，使得光束具有高度的偏向性和一致性，这就是我们熟悉的激光。固然激光的创造距今还不到一个世纪，但它已敏捷融入大年夜众生活，带来翻天覆地的变更。

　　激光的创造为人类打开了一扇摸索未知的残暴之门。它为我们供给了强大年夜的对象，极大年夜推动现代文明成长。在信息通信范畴，激光将高速光纤通信变为实际，让全球互联互通成为可能。在医疗方面，激光手术具有高精度和微创的特点，为患者带来更安然、更有效的治疗办法。在工业制造中，激光切割和焊接进步了临盆效力和产品精度，让人们打造出更周详的机械和设备。在科学研究中，激光是引力波探测和量子信息技巧的关键对象，赞助科学家揭开宇宙的神秘面纱。

　　与通俗光源比拟，微波激射器和激光器的辐射能量集中在极窄的频率范围内。是以，这两项创造可视为经由过程受激辐射实现了电磁波在频率空间的局域化。受激辐射还可用于在时光、动量和空间维度上局域化电磁波。经由过程在这些维度上对电磁波进行局域化，激光光源可以或许实现极其稳定的频率振荡、超短的脉冲、高度的偏向性和极小的模式体积，这使我们能精确测量时光、不雅察快速活动、远距离传输信息和能量、实现设备小型化，并获得更高的成像分辨率。

　　从日常生活中的激光打印、医疗美容到前沿科技的可控核聚变、激光雷达和激光兵器，激光已无处不在，深刻地影响着世界成长。它不仅改变了我们的生活方法，更扩大了人类熟悉和改革天然的才能。

　　2.懂得和应用天然的强大年夜对象

　　爱因斯坦受到普朗克的黑体辐射定律启发，于1917年提出受激辐射概念，这一发明为激光的创造奠定了基本。1954年，美国科学家汤斯等初次报道了应用受激辐射实现的微波振荡器，即微波激射器。他们采取激发态的氨分子作为增益介质，应用长约12厘米的微波谐振腔供给反馈，实现了波长约12.56厘米的微波激射。微波激射器被视为激光器的前身，但激光器可以或许产生更高频率的相干辐射，具有更小体积、更高强度、更高信息载量等优势。

　　 1960年，美国科学家梅曼创造了第一台激光器。他应用一根长约1厘米的红宝石棒作为增益介质，棒的两端镀银，充当反射镜以供给光学反馈。在闪光灯激发下，该装配产生了波长为694.3纳米的激光输出。值得留意的是，微波激射器的尺寸与其波长在同一量级。按照这种比例关系，激光器的尺寸理应可以做到约700纳米。然而，第一台激光器的尺寸远弘远年夜于此，跨越了4个数量级。将激光器缩小到与波长相当的尺寸，消费了大年夜约30年时光，而冲破波长限制，实现深亚波长的激光器，则用了半个世纪。

　　自激光问世以来，人们赓续在频率、时光、动量和空间等维度上实现更强光场局域化的寻求，推动激光物理研究和激光器件敏捷成长，使激光成为懂得和应用天然的强大年夜对象。

　　在频率维度上，经由过程高品德因子腔、反馈控制和情况隔离等技巧，激光器可以或许保持极其稳定的频率，推动多项重大年夜科学研究取得冲破，例如玻色—爱因斯坦凝集（2001年诺贝尔物理学奖）、周详激光光谱（2005年诺贝尔物理学奖）和引力波探测（2017年诺贝尔物理学奖）。

　　在时光维度上，锁模技巧和高次谐波产生技巧使得超短激光脉冲成为实际。阿秒激光经由过程极致的时光局域化，可以或许产生持续仅1个光学周期阁下的光脉冲。这一冲破使得不雅察原子内层电子活动等超快过程成为可能，获得了2023年诺贝尔物理学奖。

　　3.冲破光学衍射极限

　　在激光创造30余年后，跟着微加工技巧的进步，以及对激光物理研究与激光器件的深刻懂得，各类微型半导体激光器接踵被开辟出来，包含微盘激光器、光子晶体缺点态激光器和纳米线激光器。1992年，美国贝尔实验室成功实现了首个微盘激光器，应用微盘中的回音壁模式，让光在微盘内反复反射，产生共振反馈并实现激射。1999年，美国加州理工大年夜学经由过程在二维光子晶体中引入点缺点来束缚光，实现了首个光子晶体缺点态激光器。2001年，美国加州大年夜学伯克利分校初次应用纳米线的端面作为反射镜，成功实现了半导体纳米线激光器。这些激光器将特点尺寸降低至单个真空波长的量级，然而因为光学衍射极限的限制，这些基于介电谐振腔的激光器难以进一步缩小。

　　在几何学中，直角三角形的直角边长度小于斜边长度。而在微不雅标准上，要打破衍射极限，则须要两条直角边的长度大年夜于斜边。2009年，国际上有3个团队初次实现了冲破光学衍射极限的等离激元纳米激光器。个中，加州大年夜学伯克利分校和北京大年夜学团队实现了基于一维半导体纳米线—绝缘体—金属构造的等离激元纳米激光器；荷兰埃因霍芬理工大年夜学和美国亚利桑那州立大年夜学团队开辟了基于金属—半导体—金属3层平板构造的等离激元纳米激光器；美国诺福克州立大年夜学和普渡大年夜学团队则展示了基于局域外面等离激元共振的金属核—内嵌增益介质壳的核—壳构造等离激元纳米激光器。

　　换言之，等离激元纳米激光器经由过程在色散方程中引入虚数单位，科学家实际上构建了一个直角边的长度大年夜于斜边的特别三角形。恰是这个特别的三角形，许可我们在物理上实现更强的光场局域化。

　　北京大年夜学团队进一步开辟了基于纳米激光器的光频相控阵技巧。他们经由过程精准调控激光阵列中各纳米激光器的激射波长和相位，成功展示了阵列化相干激射技巧的强大年夜潜力。例如，该团队应用这一技巧实现了以“P”“K”“U”和“中”“国”等图案生成的光频阵列化相干激射，展示了其在集成光子学、微纳光源阵列和光通信范畴的广阔应用前景。

　　经由10余年成长，等离激元纳米激光器已展示出极小的模式体积、超快的调制速度和低能耗等优良特点。然而，相较于介电材料，固然等离激元效应将光场与金属中自由电子的集体振荡耦合，实现了更强的光场局域化，但这种耦合也引入了固有的欧姆损耗，导致热量产生，进而增长器件功耗，并限制其相干时光。

　　 2024年，北京大年夜学团队提出了一种全新的奇点色散方程，揭示了全介电蝴蝶结纳米天线的色散特点。经由过程将蝴蝶结纳米天线嵌入北京大年夜学团队提出的转角纳腔构造中，初次在介电体系中实现了冲破光学衍射极限的奇点介电纳米激光器。这种构造设计使光场得以极限紧缩，理论上能达到无穷小的模式体积，远远小于光学衍射极限。此外，转角纳腔的精细构造进一步晋升了光场的存储才能，使奇点纳米激光器具备超高的品德因子，其光腔品德因子（即光腔存储能量与每周期损掉能量的比值）可跨越100万。

　　 （作者：马仁敏，系北京大年夜学物理学院传授）

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　　奇点介电纳米激光器

　　奇点介电纳米激光器是初次在电介质体系中冲破光学衍射极限的激光器。它将激光光场的特点标准推动至原子级，与x射线的波长标准相当。这一冲破有望为物质和生命科学研究供给新的原子级成像对象。与现有激光器比拟，奇点介电纳米激光器还具有更低能耗、更快调制速度和更强的光与物质互相感化的特点，有望在信息技巧、传感探测等范畴催生广泛应用。

　　光与物质的互相感化是光子与物质粒子之间能量和动量交换的过程，是物质产生、控制和接收光以及光调控材料性质的基本。因为光子波长弘远年夜于原子标准，传统的光与物质互相感化平日较弱。奇点介电纳米激光器的光腔可以将光场限制在原子标准，大年夜幅加强电场强度，进而明显加强光与物质的互相感化。凭借超高的品德因子和极小的模式体积，该激光器的光腔可作为研究腔量子电动力学的幻想平台，并有望实现单光子非线性效应。该效应可以或许使光子之间产生有效互相感化，是推动光学量子计算和模仿的重要一步。

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