看一下納米激光器的技術進展

1960年人類製作出了第一台激光器。 40多年過去了,激光器無論在其種類上或其性能上都呈現出繽紛異彩的發展。自第一台紅寶石激光器的問世,繼之氣體激光器、各類固體激光器、半導體激光器、液體激光器、準分子激光器、X射線激光器、自由電子激光器、量子阱激光器、量子點激光器、孤子激光器等也先後被研製出來。激光科學與技術的突飛猛進發展,導致許多現代科學技術對激光的重要應用,同時也帶動了多種新學科的發展並促進了諸多邊緣學科的形成。

然而隨著人類社會科技的進步,激光器本身的發展從未停息腳步。《Science》發表了美國California大學 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。當時他們先是在藍寶石基底上鍍上1~3.5微米厚度的金,然後把它們放到鋁的蒸發皿中,在氬氣中將材料和基底加熱到880~905攝氏度以產生Zn蒸氣,產生的Zn蒸氣傳送到基底上,大約經過2~10分鍾左右,截麵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激光腔。在室溫下截麵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麵上會聚。在發射光譜的變化過程中,隨著功率的增加可以觀察到激光產生的過程.當激勵的能量超過ZnO納米線的閾值時(其閾值約為40kW/cm2),經測量,發射光譜出現了線寬為0.3微米的尖峰,這比低於閾值時的自發輻射產生的約15微米的峰值線寬要小得多。正是這些窄線寬和發射能量的快速增長便可斷定納米線發生了受激輻射.大家知道產生激光的三個要素是工作物質、泵浦源和諧振腔。在構建的納米激光器中,前兩者已具備,那麽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,因為這一納米線便是天然的激光器的諧振腔。納米線的一端是藍寶石和ZnO納米線之間的外延分界麵,另一端是ZnO納米線的端麵。這就自然地形成了納米激光器的激光諧振腔,因為藍寶石以及 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起便問世了,這也是納米技術誕生以來的第一項實際的應用。當然,這種納米激光器還屬是一個最初階段,然而在工藝的簡易程度,亮度以及尺寸方麵,ZnO納米激光器均可以和當時的GaN藍色半導體激光器相媲美的。



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《Nature》雜誌<Duan, X., Huang, Y., Agarwal, R. & Lieber, C. M., Single nanowire electrically driven lasers. Nature, 421, 241 - 245,(2003)>報道,美國哈佛大學以Charles Lieber為首的科學家們成功地研製出不需外來激光泵浦的一種新型電驅動的納米激光器,其是用外電流激勵泵浦的。這種外電流激勵泵浦的新型激光器實際上是以半導體硫化鎘為原料製成的納米線。將硫化鎘納米線安裝在塗有矽材料的基底上,製成一個回路。接通電源後,便可觀察到,在一定電壓下,電流通過矽材料流向硫化鎘納米線,納米線的另一端隨即發出藍綠色的光。隨著電流強度增大,光的顏色變得單一,波長也相當短。在這種情況下硫化鎘納米線所發出的光便是激光。在隨後的實驗中,他們使用了不同的半導體材料,由此製成的激光器發出的激光顏色也各不相同,氮化镓納米線發出藍色到紫外的光,磷化銦納米線發出紅外光。Charles Lieber等人的研究小組用塗覆在矽基片上硫化鎘納米線而研製成功的納米激光器,其中電接觸是通過塗覆硫化鎘納米線表麵的金屬導體層來實現的,在加上一定電壓時會有電流通過這種結構,而硫化鎘納米線末端開始發出波長約為490微米的藍綠色激光。當電流達到一定值,發出的激光會變成幾乎是單色光,單色光是感應式激光的可靠特征。其他的半導體材料,例如氮化镓和磷化銦,能產生更寬波段的激光,實際上這樣構成的納米激光器所發出的激光可覆蓋從紫外線到紅外線整個波段。

納米激光器的微小尺寸可以使光子被限製在少數幾個狀態上,而低音廊效應則使光子受到約束,直到所產生的光波累積起足夠多的能量後透過此結構。其結果是激光器達到極高的工作效率,而能量閾則很低。

納米激光器實際上是一根彎曲成極薄的麵包圈的形狀的光子導線,實驗發現,納米激光器的大小和形狀能夠有效控製它發射出的光子的量子行為,從而影響激光器的工作。

研究還發現,納米激光器工作時隻需約100微安的電流。最近納米激光器的研究人員把這種光子導線縮小到隻有五分之一立方微米體積內。在這一尺度上,此結構的光子狀態數少於10個,接近了無能量運行所要求的條件,但是光子的數目還沒有減少到這樣的極限上。最近,麻省理工學院的研究人員把被激發的鋇原子一個一個地送入激光器中,每個原子發射一個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行還可以得出速度極快的激光器。由於隻需要極少的能量就可以發射激光,這類裝置可以實現瞬時開關。已經有一些激光器能夠以快於每秒鍾200億次的速度開關,適合用於光纖通信。由於納米技術的迅速發展,這種無能量閾納米激光器的實現將指日可待。

納米線的化學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係列領域中有著非常廣闊的應用前景。在化學和生物醫學工程中例如生物傳感器、顯微術和激光外科以及也有可能把納米激光器用於鑒別化學物質。同時納米激光器在光計算,信息存儲和納米分析等領域也會得到廣泛的應用。納米激光器可以用於電路,可以自動地調控開關。若把激光器集成安裝到芯片上便可提高計算機磁盤信息存儲量以及未來的光子計算機的信息存儲量,加速信息技術的集成化發展。 

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