納米激光器的技術(shù)簡介

?1960年人類制作出了第一臺(tái)激光器。 40多年過去了，激光器無論在其種類上或其性能上都呈現(xiàn)出繽紛異彩的發(fā)展。自第一臺(tái)紅寶石激光器的問世，繼之氣體激光器、各類固體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器、準(zhǔn)分子激光器、Ｘ射線激光器、自由電子激光器、量子阱激光器、量子點(diǎn)激光器、孤子激光器等也先后被研制出來。激光科學(xué)與技術(shù)的突飛猛進(jìn)發(fā)展，導(dǎo)致許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對激光的重要應(yīng)用，同時(shí)也帶動(dòng)了多種新學(xué)科的發(fā)展并促進(jìn)了諸多邊緣學(xué)科的形成。

????? 然而隨著人類社會(huì)科技的進(jìn)步，激光器本身的發(fā)展從未停息腳步。《Science》發(fā)表了美國California大學(xué) Berkeley分校M. Huang 和 P. Yang等人的“室溫紫外輻射的納米激光器”聲稱是世界上最小的激光器。當(dāng)時(shí)他們先是在藍(lán)寶石基底上鍍上1～3.5微米厚度的金，然后把它們放到鋁的蒸發(fā)皿中，在氬氣中將材料和基底加熱到880~905攝氏度以產(chǎn)生Zn蒸氣，產(chǎn)生的Zn蒸氣傳送到基底上，大約經(jīng)過2~10分鐘左右，截面為六角形的納米線便可以生長到2～10微米。直徑為20~150 nm的納米線自然形成了一個(gè)激光腔。

在室溫下截面為六角形的納米線樣品用Nd：YAG激光器的四次諧波的激光泵浦(波長為266nm，脈寬為3ns)，泵浦的激光光束以10度角入射聚焦在納米線的對稱軸上。這樣一來，受激輻射發(fā)射的光便沿著ZnO納米線中心袖的方向在納米線的末端表平面上會(huì)聚。在發(fā)射光譜的變化過程中，隨著功率的增加可以觀察到激光產(chǎn)生的過程．當(dāng)激勵(lì)的能量超過ZnO納米線的閾值時(shí)(其閾值約為40kW／cm2)，經(jīng)測量，發(fā)射光譜出現(xiàn)了線寬為0.3微米的尖峰，這比低于閾值時(shí)的自發(fā)輻射產(chǎn)生的約15微米的峰值線寬要小得多。正是這些窄線寬和發(fā)射能量的快速增長便可斷定納米線發(fā)生了受激輻射．大家知道產(chǎn)生激光的三個(gè)要素是工作物質(zhì)、泵浦源和諧振腔。在構(gòu)建的納米激光器中，前兩者已具備，那么諧振腔則無需如一般激光器那樣裝配上半反和全反的反射鏡，因?yàn)檫@一納米線便是天然的激光器的諧振腔。

納米線的一端是藍(lán)寶石和ZnO納米線之間的外延分界面，另一端是ZnO納米線的端面。這就自然地形成了納米激光器的激光諧振腔，因?yàn)樗{(lán)寶石以及 ZnO和空氣的折射率分別是1.8, 2.45 和1。用Nd:YAG激光器的四次諧波的激光泵浦在ZnO納米線上便獲得了脈寬為0.3 nm，波長為385nm的激光。

????? 這種氧化鋅(ZnO)納米激光器——世界上最小的激光器從那時(shí)起便問世了，這也是納米技術(shù)誕生以來的第一項(xiàng)實(shí)際的應(yīng)用。當(dāng)然，這種納米激光器還屬是一個(gè)最初階段，然而在工藝的簡易程度，亮度以及尺寸方面，ZnO納米激光器均可以和當(dāng)時(shí)的GaN藍(lán)色半導(dǎo)體激光器相媲美的。

????? 如果不用Nd：YAG激光器的四次諧波的激光做泵浦源，而改用電流來激活納米線，這樣的納米激光器豈不是更為理想嗎？據(jù)《Nature》雜志報(bào)道，美國哈佛大學(xué)以Charles Lieber為首的科學(xué)家們成功地研制出不需外來激光泵浦的一種新型電驅(qū)動(dòng)的納米激光器，其是用外電流激勵(lì)泵浦的。這種外電流激勵(lì)泵浦的新型激光器實(shí)際上是以半導(dǎo)體硫化鎘為原料制成的納米線。將硫化鎘納米線安裝在涂有硅材料的基底上，制成一個(gè)回路。接通電源后，便可觀察到，在一定電壓下，電流通過硅材料流向硫化鎘納米線，納米線的另一端隨即發(fā)出藍(lán)綠色的光。隨著電流強(qiáng)度增大，光的顏色變得單一，波長也相當(dāng)短。在這種情況下硫化鎘納米線所發(fā)出的光便是激光。在隨后的實(shí)驗(yàn)中，他們使用了不同的半導(dǎo)體材料，由此制成的激光器發(fā)出的激光顏色也各不相同，氮化鎵納米線發(fā)出藍(lán)色到紫外的光，磷化銦納米線發(fā)出紅外光。Charles Lieber等人的研究小組用涂覆在硅基片上硫化鎘納米線而研制成功的納米激光器，其中電接觸是通過涂覆硫化鎘納米線表面的金屬導(dǎo)體層來實(shí)現(xiàn)的，在加上一定電壓時(shí)會(huì)有電流通過這種結(jié)構(gòu)，而硫化鎘納米線末端開始發(fā)出波長約為490微米的藍(lán)綠色激光。當(dāng)電流達(dá)到一定值，發(fā)出的激光會(huì)變成幾乎是單色光，單色光是感應(yīng)式激光的可靠特征。其他的半導(dǎo)體材料，例如氮化鎵和磷化銦，能產(chǎn)生更寬波段的激光，實(shí)際上這樣構(gòu)成的納米激光器所發(fā)出的激光可覆蓋從紫外線到紅外線整個(gè)波段。

????? 納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個(gè)狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過此結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是激光器達(dá)到極高的工作效率，而能量閾則很低。

????? 納米激光器實(shí)際上是一根彎曲成極薄的面包圈的形狀的光子導(dǎo)線，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米激光器的大小和形狀能夠有效控制它發(fā)射出的光子的量子行為，從而影響激光器的工作。

????? 研究還發(fā)現(xiàn)，納米激光器工作時(shí)只需約100微安的電流。最近納米激光器的研究人員把這種光子導(dǎo)線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上，此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于10個(gè)，接近了無能量運(yùn)行所要求的條件，但是光子的數(shù)目還沒有減少到這樣的極限上。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個(gè)一個(gè)地送入激光器中，每個(gè)原子發(fā)射一個(gè)有用的光子除了能提高效率以外，無能量閾納米激光器的運(yùn)行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光，這類裝置可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關(guān)，適合用于光纖通信。由于納米技術(shù)的迅速發(fā)展，這種無能量閾納米激光器的實(shí)現(xiàn)將指日可待。

????? 納米線的化學(xué)彈性和其一維性使它們成為理想的超小型的激光光源，這種超小型的納米激光器在一系列領(lǐng)域中有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程中例如生物傳感器、顯微術(shù)和激光外科以及也有可能把納米激光器用于鑒別化學(xué)物質(zhì)。同時(shí)納米激光器在光計(jì)算，信息存儲(chǔ)和納米分析等領(lǐng)域也會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。納米激光器可以用于電路，可以自動(dòng)地調(diào)控開關(guān)。若把激光器集成安裝到芯片上便可提高計(jì)算機(jī)磁盤信息存儲(chǔ)量以及未來的光子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)量，加速信息技術(shù)的集成化發(fā)展。