韓 琴 王 飛

（蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

激光是我國著名科學(xué)家錢學(xué)森對Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（縮寫為 LASER，或laser）這一現(xiàn)象的中文命名.從英文的直接翻譯是指“通過受激輻射實現(xiàn)光放大”.那么光放大會出現(xiàn)什么樣的情況呢？基本特點就是亮度極高，或者說能量密度大.而激光除了能量密度大外，還有方向性好的特點.這兩個基本特點使激光在生產(chǎn)和生活中有廣泛的應(yīng)用.比如，利用激光方向性好、發(fā)散角度小的特點，實現(xiàn)激光測距，激光打靶，激光手術(shù)、光纖通信等，而能量密度大則在激光切割、激光武器等方面有重要的應(yīng)用.為了適應(yīng)生產(chǎn)和生活的需要，目前研制的激光種類極其豐富.其中納米激光器是隨著納米科技的發(fā)展而興起的前沿研究課題.

現(xiàn)在的計算機正以日新月異的速度不斷更新升級，組成計算機的電子元件尺寸越來越小，商業(yè)上已實現(xiàn)了20nm的芯片，接近電子輸運的極限.如果能夠用光子來傳遞和處理信息，無論從傳播的速度，還是存儲的信息量，都遠(yuǎn)超過電子器件的性能.而這樣性能的光子計算機首要的條件就是要求尺寸極小的激光器作為信號的發(fā)生器.由于光子無法限定在比其半波長更小的區(qū)域內(nèi)（即光或者電磁波的衍射極限），因此光學(xué)器件難以小型化.如果能把強的光場局域在納米尺度，不僅可以應(yīng)用在光子計算機上，還可以應(yīng)用于各種超敏光譜檢測上，進(jìn)一步把光耦合入半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的話，將可以把光的優(yōu)點和微電子工藝結(jié)合到一起，使其在光通訊、光互聯(lián)和光信息處理等方面具有優(yōu)勢，可用作信息高速公路中理想的光源.

圖1

一般來說，激光器主要由泵浦源、工作物質(zhì)和光學(xué)諧振腔三部分組成，如圖1所示.［1］泵浦源是用來激發(fā)出激光的裝置，比如說用光照、通電或化學(xué)反應(yīng)等.工作物質(zhì)是能夠產(chǎn)生激光的物質(zhì)，即在泵浦源的激勵下輻射出具有相同頻率、相同相位的相干光的物質(zhì)，如紅寶石、鈹玻璃、氖氣、半導(dǎo)體、有機染料等.其中半導(dǎo)體作為工作物質(zhì)，具有體積小，效率高，運行簡單、便宜等特點，在納米激光器中研究最為廣泛.而光學(xué)諧振腔是用來加強輸出激光的亮度，調(diào)節(jié)和選定激光的波長和方向等.光學(xué)諧振腔由置于工作物質(zhì)兩端的兩塊互相平行且垂直于工作物質(zhì)主軸的反射鏡構(gòu)成，其中一塊為全反射鏡，另一塊為反射率在90%以上的部分反射鏡.沿著軸線方向運動的光子在腔內(nèi)往復(fù)傳播，它們在工作物質(zhì)中傳播時會進(jìn)一步引起受激輻射，產(chǎn)生特性相同的光子.連鎖的受激輻射，將使光子數(shù)和受激輻射強度成倍的增加，最終從部分反射鏡中輸出一束極強的光，這就是激光.2001年，美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的楊培東教授及其同事制造出可以在室溫下運行的世界最早的納米激光器.［2］這種激光器是以直徑為150nm，截面為六邊形的ZnO納米線作為工作物質(zhì)，Nd：YAG激光器作為激勵系統(tǒng)，在光激勵下ZnO納米線發(fā)射出線寬小于0.3nm、波長為385nm的激光.在這樣的納米激光器中，ZnO納米線既是工作物質(zhì)，又是一個天然的諧振腔，無需如一般激光器那樣裝配上半反和全反的反射鏡，其受激輻射發(fā)出的光便沿著ZnO納米線中心軸的方向在納米線的末端表平面上會聚.這種納米激光器盡管屬于一個初級階段，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)時的GaN藍(lán)色半導(dǎo)體激光器媲美.

雖然基于納米線的激光器尺寸已經(jīng)很小了，但是發(fā)出的光仍然是普通的遠(yuǎn)場發(fā)光，其傳播受到衍射極限的限制.2003年，Bergman和Stockman提出了基于表面等離激子的納米激光器，或者稱為spaser（即surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation的縮寫）.［3］Spaser是基于表面等離激子（surface Plasmons，縮寫為SPs）的激光器，其和通常的激光器相似，但是它不激發(fā)光子，因此不受衍射極限的限制.在spaser中，光子被表面等離激子替代，同時共振腔被納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)替代.與激光相似，spaser也需要從外場吸收能量在工作物質(zhì)中形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，不同的是，spaser從亞穩(wěn)態(tài)能級躍遷時會把能量轉(zhuǎn)移到金屬－絕緣界面形成表面等離激子.在spaser中的表面等離激子的工作原理和激光器（laser）中的光子相似，這是因為他們的物理性質(zhì)是相似的：首先，表面等離激子和光子一樣，是玻色子，并且具有自旋1；第二，表面等離激子是電中性的；第三，表面等離激子是電子的集體振蕩，類似于晶格中電子氣在光學(xué)頻率的集體振蕩，是一種簡諧運動，諧振子之間相互作用很弱.這樣的表面等離激子受到激發(fā)后，以特定的模式大量積聚在一起，這就是spaser的物理基礎(chǔ).［4］和傳統(tǒng)的激光不一樣，spaser作為表面等離激子的一種形式，它們可以做光子在普通光波中做不到的事情.例如，光子不能被限制于這樣的范圍，使它的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其波長的一半，這就限制了這些光學(xué)器件微型化的程度.但是，表面等離激子則可以被限制在小得多的空間，并且可以根據(jù)需要轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的光波，這就使它們可用于超高分辨率成像或微型光學(xué)電路，并且這種電路的運行可能比目前最快的電子電路快100倍.

表面等離激子（SPs）是如何產(chǎn)生的呢？當(dāng)光入射到金屬（其介電常數(shù)的實部小于0）與介質(zhì)（其介電常數(shù)為實數(shù)，且大于0）分界面時，金屬表面的自由電子在光場的作用下形成集體振蕩.這是一種特殊的電磁模式，其中磁場的分量非常小，可以忽略不計，而以電場的振蕩為主.表面等離激子具有以下的基本特點：（1）在垂直于界面的方向場強呈指數(shù)衰減；（2）沿著金屬表面方向，表面等離激子可以傳播，且其波長具有比同頻率光波更短的波長；（3）由于金屬中的歐姆熱效應(yīng)，其傳播的距離非常有限，大約在納米或微米量級.這些現(xiàn)象雖然很早就認(rèn)識到了，但由于表面等離激子的傳輸距離太短，在原來的制作工藝條件下，無法得到應(yīng)用.隨著納米科技與制作工藝的發(fā)展，科學(xué)家可以在納米尺度上制作光子器件，表面等離激子才得到新的應(yīng)用.

與激光laser類似，“l(fā)aser”產(chǎn)生受激輻射的相干光，而“spaser”產(chǎn)生受激輻射的表面等離激子.但是實現(xiàn)這樣的spaser，面臨金屬中非常強的吸收損耗.如何補償這些損耗以確保能量不會快速從金屬表面消逝呢？2009年美國普渡大學(xué)的M.A.Noginov等人利用一個覆蓋OG－488－染色SiO2層的金核實現(xiàn)這一要求，使尺寸僅44nm的顆粒實現(xiàn)波長為531nm的激光出射.［5］OG－488－染色SiO2是一種發(fā)光材料，在外在光源照射下可產(chǎn)生488nm的光波.在這個spaser器件中，染色SiO2是一種增益介質(zhì)，用來補償界面上的吸收損耗.在普通激光器中，光子通過可放大光的工作物質(zhì)在兩個鏡面間反彈.而spaser中的光則以一個等離子體的形式在納米粒子核中的金核表面進(jìn)行反彈，如圖2（a）所示.借助表面等離激元共振實現(xiàn)了把光頻振蕩壓縮到一個納米尺度的腔室從而實現(xiàn)超越衍射極限的納米激光器.這是首個實現(xiàn)可見光波段的最小納米激光器.來自spaser的輻射可作為等離激子保持在限定區(qū)域，亦可作為可見光范圍的光子離開粒子表面.像一個激光器一樣，spaser必須“泵”入必要的能量，研究人員利用波長為466nm的光脈沖轟擊粒子來達(dá)到這個目的.和目前最快的晶體管相比，spaser雖具有同等的納米尺度，但其速度要更快，這為制造速度超快的放大器、邏輯元件和微處理器提供了可能.Spaser不僅能在光子計算機領(lǐng)域找到用武之地，也能在現(xiàn)今使用常規(guī)激光器的領(lǐng)域得到應(yīng)用.更為現(xiàn)實的應(yīng)用領(lǐng)域就是磁性數(shù)據(jù)存儲業(yè).現(xiàn)今用于硬盤的磁性數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)已達(dá)到其物理極限，擴展其存儲能力的方法之一就是在其記錄過程中用非常小的光點對介質(zhì)進(jìn)行加熱，而這必須使用納米激光器才能做到.

最近美國加州大學(xué)伯克利分校的張翔小組展示了第一臺可以運行在室溫下的基于半導(dǎo)體的表面等離激子激光器.［6］以前的表面等離激子激光器如果采用金屬和半導(dǎo)體這些常見的材料，要損失很多能量才能維持激射，或者要冷卻到極低溫才可運行.［7］新的spaser是把一片45nm厚、1μm見方的CdS置于一塊5nm厚的片狀MgF上，然后放置在一個銀片上，如圖2（b）所示.使用405nm的商用激光器發(fā)出的光線照射樣品，在金屬界面上會產(chǎn)生表面等離激子.CdS方片會把等離激子限制在間隙中，并在納米片的邊緣處把它們反射回來，其中有不到5% 的輻射會逸出這種結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)持續(xù)的表面等離激子激射.這項研究發(fā)表于2012年的《自然·材料》上.基于半導(dǎo)體的激光器相對于采用染料為基礎(chǔ)的激光器，優(yōu)點在于可以利用半導(dǎo)體的電致發(fā)光特性實現(xiàn)電注入的等離子體激光器，而以染料為基礎(chǔ)的激光器的激活只能采用光脈沖.

圖2

表面等離激子能夠把光約束在表面，且其在表面?zhèn)鞑サ牟ㄩL更短，因此具有提高分辨率，減小尺寸的能力.基于表面等離激子的納米激光器與納米光電系統(tǒng)集成后，將使生物傳感器和光學(xué)計算機，大幅度縮小器件尺寸，提高速度，實現(xiàn)單分子檢測和高靈敏度生物醫(yī)學(xué)測試.一些物理學(xué)家據(jù)此認(rèn)為，就像晶體管是現(xiàn)今的電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)一樣，spaser也許將成為未來光學(xué)計算機的基礎(chǔ).

1 周炳坤，高以智等.激光原理，北京：國防工業(yè)出版社，2011.

2 M.H.Huang，et al.，Room－temperature ultraviolet nanowire nanolasers，Science，2001，292，1897

3 D.J.Bergman，and M.I.Stockman，Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation：Quantum Generation of Coherent Surface Plasmons in Nanosystems，Phys.Rev.Lett.，2003，90（2）：027402

4 M.I.Stockman，Spasers explained，Nature Photonics，2008，2，327

5 M.A.Noginov，et al.，Demonstration of a spaser－based nanolaser，Nature，2009，460，1110

6 R.M.Ma，et al.Room－temperature sub－diffraction－limited Plasmon laser by total internal reflection，2011，10，110

7 R.F.Oulton，et al.，Plasmon lasers at deep subwavelength scale，2009，461，629