納米激光器的概念及其主要分類

納米激光器是由納米線等納米材料作為諧振腔，在光激發(fā)或電激發(fā)下能夠出射激光的微納器件。這種激光器的尺寸往往只有數(shù)百微米甚至幾十微米，直徑更是達到納米量級，是未來薄膜顯示、集成光學等領(lǐng)域中的重要組成部分。

2003年1月16日出版的雜志曾報道，美國哈佛大學成功開發(fā)出一種新型納米激光器，它比人的頭發(fā)絲還細千倍，安裝在微芯片上，能提高計算機磁盤和光子計算機的信息存儲量。這種新型激光器乃是用半導體硫化鎘制成的納米線，直徑只有萬分之一毫米。2014年，浙江大學在《NanoLetters》上刊文，介紹了其開發(fā)的一種波長連續(xù)可調(diào)的納米激光器，其出射激光的波長范圍達到119納米，覆蓋紅綠藍三種顏色，是目前報道的出射光譜范圍最寬的納米激光器。

納米激光器的分類：

1.納米導線激光器

2001年，美國加利福尼亞大學伯克利分校的研究人員在只及人的頭發(fā)絲千分之一的納米光導線上制造出世界最小的激光器—納米激光器。這種激光器不僅能發(fā)射紫外激光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為取向附生的標準技術(shù)，用純氧化鋅晶體制造了這種激光器。他們先是“培養(yǎng)”納米導線，即在金層上形成直徑為20nm～150nm，長度為10000nm的純氧化鋅導線。然后，當研究人員在溫室下用另一種激光將納米導線中的純氧化鋅晶體激活時，純氧化鋅晶體會發(fā)射波長只有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用于鑒別化學物質(zhì)，提高計算機磁盤和光子計算機的信息存儲量。

2.紫外納米激光器 

繼微型激光器、微碟激光器、微環(huán)激光器、量子雪崩激光器問世后，美國加利福尼亞伯克利大學的化學家楊佩東及其同事制成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵下能發(fā)射線寬小于0.3nm、波長為385nm的激光，被認為是世界上最小的激光器，也是采用納米技術(shù)制造的首批實際器件之一。在開發(fā)的初始階段，研究人員就預(yù)言這種ZnO納米激光器容易制作、亮度高、體積小，性能等同甚至優(yōu)于GaN藍光激光器。由于能制作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米激光器可以進入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應(yīng)用領(lǐng)域。為了生長這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體生長的氣相輸運法合成。首先，在藍寶石襯底上涂敷一層1 nm~3.5nm厚的金膜，然后把它放到一個氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chǎn)生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運到襯底上，在2min~10min的生長過程內(nèi)生成截面積為六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發(fā)現(xiàn)，ZnO納米線形成天然的激光腔，其直徑為20nm~150nm，其大部分（95%）直徑在70nm~100nm。為了研究納米線的受激發(fā)射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對樣品進行光泵浦。在發(fā)射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當激射超過ZnO納米線的閾值（約為40kW/cm）時，發(fā)射光譜中會出現(xiàn)最高點，這些最高點的線寬小于0.3nm，比閾值以下自發(fā)射頂點的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發(fā)射強度的迅速提高使研究人員得出結(jié)論：受激發(fā)射的確發(fā)生在這些納米線中。因此，這種納米線陣列可以作為天然的諧振腔，進而成為理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長納米激光器可應(yīng)用在光計算、信息存儲和納米分析儀等領(lǐng)域中。  

3.量子阱激光器  

2010年前后，蝕刻在半導體片上的線路寬度將達到100nm以下，在電路中移動的將只有少數(shù)幾個電子，一個電子的增加和減少都會給電路的運行造成很大影響。為了解決這一問題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學中，把能夠?qū)﹄娮拥倪\動產(chǎn)生約束并使其量子化的勢場稱之成為量子阱。而利用這種量子約束在半導體激光器的有源層中形成量子能級，使能級之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。量子阱激光器有兩種類型：量子線激光器和量子點激光器。  

①量子線激光器  

隨著科學家研制出功率比傳統(tǒng)激光器大1000倍的量子線激光器，從而向創(chuàng)造速度更快的計算機和通信設(shè)備邁進了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網(wǎng)及其他采用光纖網(wǎng)絡(luò)的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學、位于新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實驗室及德國德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學家們共同研制的。這些較高功率的激光器會減少對昂貴的中繼器的要求，因為這些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個，再次產(chǎn)生激光脈沖，脈沖在光纖中傳播時強度會減弱（中繼器）。   

②量子點激光器  

由直徑小于20nm的一堆物質(zhì)構(gòu)成或者相當于60個硅原子排成一串的長度的量子點，可以控制非常小的電子群的運動而不與量子效應(yīng)沖突。科學家們希望用量子點代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已制成的量子點激光器卻不盡人意。原因是多方面的，包括制造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數(shù)量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會使電子變得難以控制，并且陷入量子效應(yīng)的困境。但是，通過改變材料使量子點能夠更牢地約束電子，日本電子技術(shù)實驗室的松本和斯坦福大學的詹姆斯和哈里斯等少數(shù)幾位工程師最近已制成可在室溫下工作的單電子晶體管。但很多問題仍有待解決，開關(guān)速度不高，偶然的電能容易使單個電子脫離預(yù)定的路線。因此，大多數(shù)科學家正在努力研制全新的方法，而不是仿照計算機設(shè)計量子裝置。 

4.微腔激光器  

微腔激光器是當代半導體研究領(lǐng)域的熱點之一，它采用了現(xiàn)代超精細加工技術(shù)和超薄材料加工技術(shù)，具有高集成度、低噪聲的特點，其功耗低的特點尤為顯著，100萬個激光器同時工作，功耗只有5W。  

該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實驗室開發(fā)成功。其內(nèi)部為采用先進的蝕刻工藝蝕刻出的直徑只有幾微米、厚度只有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下面靠一個微小的底座支撐。由于半導體和空氣的折射率相差很大，微碟內(nèi)產(chǎn)生的光在此結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射，直到所產(chǎn)生的光波積累足夠多的能量后沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時只需大約100μA的電流。 

自從McCall等人1992年報道了用低溫光抽運 InGaAsP系材料制造的微腔激光器以來，半導體微碟激光器先后在GaAlAs/GaAs、GaN/A1GaN、InGaN/GaN等多種新材料體系中以脈沖室溫電抽運和連續(xù)室溫電抽運和連續(xù)室溫光抽運等多種工作方式實現(xiàn)了激光發(fā)射。美國加利福尼亞大學、伊利諾伊州Northwesten大學、貝爾實驗室、俄勒岡大學、日本YoKohama National大學和朝鮮科學與技術(shù)高級研究學院等均開展了InGaAs/InGaAsP量子阱的研究和量子級聯(lián)微碟激光器的開發(fā)和研究，并已取得了很大的進展。  

在國內(nèi)，長春光學精密機械學院高功率半導體激光國家重點實驗室和中國科學院北京半導體研究所從經(jīng)典量子電動力學理論出發(fā)研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反應(yīng)離子刻蝕和選擇化學腐蝕等微細加工技術(shù)制備出直徑為9.5μm、低溫光抽運InGaAs/InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、光互聯(lián)和光信息處理等方面有著很好的應(yīng)用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。

微腔光子技術(shù)，如微腔探測器、微腔諧振器、微腔光晶體管、微腔放大器及其集成技術(shù)研究的突破，可使超大規(guī)模集成光子回路成為現(xiàn)實。因此，包括美國在內(nèi)的一些發(fā)達國家都在微腔激光器的研究方面投人大量的人力和物力。長春光機與物理所的科技人員打破常規(guī)，用光刻方法實現(xiàn)了碟型微腔激光器件的圖形轉(zhuǎn)移，用濕法及干法刻蝕技術(shù)制作出碟型微腔結(jié)構(gòu)，在國內(nèi)首次研制出直徑分別為8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器。其中，2μm直徑的微碟激光器在77K溫度下的激射闊值功率為5μW，是國際上報道中的最好水平。此外，他們還在國內(nèi)首次研制出激射波長為1.55μm，激射閾值電流為2.3mA，在77K下激射直徑為10μm的電泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器以及國際上首個帶有引出電極結(jié)構(gòu)的電泵浦微柱激光器。值得一提的是，這種微碟激光器具有高集成度、低閾值、低功耗、低噪聲、極高的響應(yīng)、可動態(tài)模式工作等優(yōu)點，在光通信、光互連、光信息處理等方面的應(yīng)用前景廣闊，可用于大規(guī)模光子器件集成光路，并可與光纖通信網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路匹配，組成光電子信息集成網(wǎng)絡(luò)，是當代信息高速公路技術(shù)中最理想的光源；同時，可以和其他光電子元件實現(xiàn)單元集成，用于邏輯運算、光網(wǎng)絡(luò)中的光互連等。  

5.新型納米激光器  

據(jù)報道，世界上最早的納米激光器是由美國加州大學伯克利分校的科學家于2001年制造的，當時使用的是氧化鋅納米線，可發(fā)射紫外光，經(jīng)過調(diào)整后還能發(fā)射從藍色到深紫外的激光。但是，美中不足的是只有用另一束激光將納米線中的氧化鋅晶體激活，其才會發(fā)射出激光。而新型納米激光器具備了電子自動開關(guān)的性能，無需借助外力激活，這無疑會使其實用性大為增強。

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