北大馬仁敏團隊在納米激光領域重要進展！

來源 | 材料科學與工程

最近，北京大學物理學院馬仁敏研究員與其合作者通過理論分析和系統實驗證明了等離激元納米激光器可以比傳統激光器體積更小、速度更快，並具有更低的閾值和功耗；並揭示了等離激元納米激光器與傳統激光器相比存在本質區別，其輻射場可以全部為金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元形式。

相關工作分別被《自然·通訊》和《科學·進展》雜誌以標題「Unusual scaling laws for plasmonic nanolasers beyond the diffraction limit」和「Imaging the dark emission of spasers」進行了報道。

激光器的研製加深了人們對光與物質相互作用的認識，並極大地推動了現代科學與技術的發展。

自激光器發明以來，其微型化一直是激光領域核心的研究方向之一。其目的是獲得更小體積、更高調製速度以及更低功耗的激光器。

比如激光在晶元上光互連上的應用就直接要求激光器的特徵尺度接近電子器件，並且其功耗要小於成熟的電互聯，應約在10飛焦每比特量級。

激光器的功耗與其尺度呈正相關的關係，10飛焦每比特量級的功耗直接要求激光器的模式體積要小於約0.02個波長立方。

▲ 圖1傳統激光器（左）和納米激光器（右）基本原理示意圖

過去40年中激光器的微型化已經取得了巨大的成就，發展出了包括垂直腔面發射激光器（VCSEL）、微盤激光器、光子晶體激光器和納米線激光器等微型化激光器。

然而在這些傳統的光學激光器中，增益介質是通過受激輻射放大光子，因而激光器尺寸受光學衍射極限限制，每個維度最小的尺度均要大於半個波長，難以實現微型化（圖1左）。

等離激元納米激光器是一種三維物理尺度可同時遠小於出射波長的新型激光器（圖1右）。這種納米激光器與傳統的光學激光器不同，它是通過放大金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元，而非光子，從而可實現深亞波長10納米量級特徵尺度的光場限制。

然而，納米激光器中利用等離激元效應所帶來的電磁場空間局域化必然伴隨著金屬吸收損耗。因此，納米激光器相比傳統激光器可否具有性能優勢這一問題一直存在爭論。

馬仁敏研究員與其合作者通過系統優化增益材料、金屬材料以及共振腔，使納米激光器激射閾值降低至10千瓦每平方厘米水平，比目前已報道的最低的納米激光器閾值低兩個量級以上，首次將納米激光器的閾值降至可商業化激光器的激光閾值水平。

他們進一步系統研究了100餘組等離激元納米激光器與100餘組無金屬限制的對照樣品，實驗給出了等離激元納米激光器各關鍵性能隨尺寸變化的規律（Scaling Laws），證明了納米激光器相較於傳統激光器在納米尺度可以同時具有更小的物理尺寸、更快的調製速度、更低的閾值與功耗（圖2）。該工作發表於《自然·通訊》（8，1889，2017）。

▲ 圖2 等離激元納米激光器可以比傳統光學激光器體積更小（a），功耗更低（b），速度更快（c）

在今年發表於《科學·進展》（3，e1601962，2017）的另一項工作中，馬仁敏研究員與合作者採用漏輻射顯微成像技術，通過動量匹配的方法將納米激光器的表面等離激元暗輻射耦合到遠場，實現了實空間、動量空間和頻譜空間的直接成像，如圖3所示。

結果表明納米激光器與傳統激光器相比存在本質區別，其輻射場可以全部為金屬中自由電子振蕩形成的表面等離激元形式。

該工作首次揭示了納米激光器的輻射能量可以百分之百耦合到傳播模式的表面等離激元，為對納米激光器進行進一步操控和應用奠定了基礎。

▲ 圖3 納米激光器實空間（a）、動量空間（b）和頻率空間（c）成像圖

北大博士生王所和博士後王興遠為《自然·通訊》論文共同第一作者；北大博士生陳華洲、2011級本科生胡家祺和博士生王所為《科學·進展》論文共同第一作者；主要合作者包括北京大學戴倫教授和英國帝國理工大學Rupert Oulton教授；馬仁敏研究員為兩篇論文的通訊作者。

這兩項工作得到了「青年千人」項目、國家自然科學基金委、科技部、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、量子物質科學協同創新中心等的支持。