激光廣泛應用于家用電器、醫(yī)藥、工業(yè)、電信等領域。幾年前，科學家們引入了納米拉塞爾。它們的設計類似于幾十年來普遍使用的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)半導體激光器。不同之處在于，納米拉色劑的空腔非常小，這是根發(fā)出的光的波長來決定。由于它們主要產(chǎn)生可見光和紅外光，所以它們的大小大約是一米的百萬分之一。納米材料具有與宏觀激光明顯不同的獨特性質(zhì)。然而，幾乎不可能確定在什么電流下，納米激光器的輸出輻射變得相干，此外在實際應用中，重要的是要區(qū)分納米激光器的兩種狀態(tài)：具有高電流相干輸出的真實激光作用和具有低電流非相干輸出的led樣狀態(tài)。來自莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員開發(fā)了一種方法來確定在什么情況下納米激光器才算真正的激光器。

博科園-科學科普：這項研究發(fā)表在《光學快報》上。在不久的將來，納米硅將被整合到集成光學電路中，這是基于光子波導的新一代高速互連所必需，這將使cpu和gpu的性能提高幾個數(shù)量級。同樣，光纖互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)提高了連接速度，同時也提高了能源效率。到目前為止，這并不是納米拉瑟唯一可能的應用。研究人員已經(jīng)在開發(fā)化學和生物傳感器，只有百萬分之一米大，而機械應力傳感器只有十億分之一米小。納米聚糖還有望用于控制包括人類在內(nèi)的生物神經(jīng)元活動。要使輻射源成為合格的激光器，它需要滿足許多要求，其中最主要的是它必須發(fā)射相干輻射。與相干性密切相關(guān)的一個顯著特性是存在所謂的激光閾值。當泵浦電流低于這個閾值時，輸出輻射主要是自發(fā)的，其特性與傳統(tǒng)發(fā)光二極管(LEDs)的輸出沒有什么不同。

Nanolaser測試，圖片：tsarcyanide/MIPT但是一旦達到閾值電流，輻射就會變得相干。在這一點上，傳統(tǒng)的宏觀激光發(fā)射光譜縮小，其輸出功率峰值。后一個特性提供了一種確定激光閾值的簡單方法——即通過研究輸出功率隨泵電流的變化情況(圖1A)。許多納米分子篩的行為與傳統(tǒng)的宏觀分子篩相同，表現(xiàn)出閾值電流。然而，對于某些器件，由于它沒有特殊的特性，只是log-log刻度上的一條直線(圖1B中的紅線)，因此不能通過分析輸出功率與泵電流曲線來確定激光閾值。這種納米聚糖被稱為“無閾值”。這就提出了一個問題：在什么電流下它們的輻射會變得相干，或者像激光一樣？回答這個問題最明顯的方法是測量相干性。然而，與發(fā)射光譜和輸出功率不同，相干性在納米激光器中很難測量因為這需要能夠記錄強度波動在萬億分之一秒(納米激光器內(nèi)部過程發(fā)生的時間尺度)的設備。

在給定溫度下，傳統(tǒng)宏觀激光器(a)和典型納米激光器(B)的輸出功率與泵浦電流的關(guān)系。圖片：A.A. Vyshnevyy and D.Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473莫斯科物理技術(shù)研究所的Andrey Vyshnevyy和Dmitry Fedyanin找到了一種繞過具有技術(shù)挑戰(zhàn)性的直接相干測量的方法。他們開發(fā)了一種方法，使用主要的激光參數(shù)來量化納米激光輻射的相干性。研究人員聲稱他們的技術(shù)可以確定任何納米激光器的閾值電流(圖1B)。他們發(fā)現(xiàn)，即使是“無閾值”的納米激光器，實際上也有一個獨特的閾值電流將LED和激光分開。發(fā)射的輻射在閾值電流以下是不相干的，在閾值電流以上是相干的。令人驚訝的是，納米激光器的閾值電流與輸出特性或發(fā)射光譜的變窄沒有任何關(guān)系，而這些都是宏觀激光中激光閾值的特征。圖1B清楚地顯示，即使在輸出特性中看到一個明顯的扭結(jié)，在更高的電流下也會發(fā)生向激光狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這是激光科學家們無法從納米激光中期待的。

納米激光器閾值電流與器件溫度的關(guān)系，藍色和綠色曲線很好地近似了紅線所示的準確值。圖片：Andrey A. Vyshnevyy and Dmitry Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473計算表明，在大多數(shù)關(guān)于納米激光器的論文中，激光系統(tǒng)并沒有實現(xiàn)。盡管研究人員在輸出特性上測量了扭結(jié)以上的激光，但納米激光器發(fā)射是不連貫的，因為實際的激光閾值是扭結(jié)值以上的數(shù)量級。通常，由于納米激光器的自熱，根本不可能實現(xiàn)一致的輸出。因此將虛激光閾值與實際激光閾值區(qū)分開來是非常重要的。盡管相干性測量和計算都很困難，維什涅夫斯基和費迪亞寧提出了一個可以應用于任何納米激光器的簡單公式。利用這個公式和輸出特性，nanolaser工程師現(xiàn)在可以快速測量他們創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的閾值電流(見圖2)。Vyshnevyy和Fedyanin報告的研究結(jié)果使我們能夠提前預測納米激光器的輻射（無論它的設計是什么）變得一致的那一點。這將使工程師能夠確定性地開發(fā)具有預定特性和保證相干性的納米激光器。

博科園-科學科普｜研究/來自: 莫斯科物理科學與技術(shù)學院參考期刊文獻:《Optics Express》DOI: 10.1364/OE.26.033473博科園-傳遞宇宙科學之美