近期台湾“中研院”蔡定平教授团队在等离子激元纳米激光源方面的研究取得了重要进展。该研究团队结合深紫外光量子阱与双曲色散超材料之共振腔体，在室温下成功实现单一共振模态的纳米激光源。此双曲色散超材料共振腔可将腔内的所有等离子激元共振模态合并，并为量子阱提供独特的共振辐射反馈，进而促使量子阱内的载流子偏振具有相干性，提高载流子受激发光速率，达到激光激发的目的。

随着信息技术的不断发展，实现集成光路已成为国内外的热点研究方向之一，其中低功率的纳米激光源扮演着重要角色。受限于光学衍射极限，传统上以半导体材料为主的激光源无法进一步缩小体积并整合于集成光路上。虽然金属结构的表面等离激元可增强表面局域场，强化与纳米尺度增益介质的交互作用以实现纳米激光源的目的，但局限于金属表面的等离激元，无法进行垂直于金属表面方向的传递，限制了此型态激光源的应用。相比之下，双曲色散超材料共振腔体具备双曲线色散特性(能量空间)与三维等离子激元共振模态局限能力(实际空间)，可提供等离子激元模态与多数的增益介质产生强交互作用，并依其增益介质的对应波长，选择不同模态密度和强度以满足不同的需求。蔡定平团队率先将此概念应用于深紫外光波段，深紫外光光源在取代现有日光照明、生物细胞检测、水资源杀菌等领域极具发展潜力，但受限于增益介质(氮化铝镓)的材料特性，其发光效率偏低，多数的光子能量都在材料中形成热能并耗散掉。通过氮化铝镓量子阱与双曲色散超材料共振腔的整合，除了大幅提升氮化铝镓的量子效率与光吸收率外，还借助优化共振腔结构，整合腔内等离子激元共振模态并提供强共振辐射反馈，从理论分析、数值模拟以及实验结果上成功验证深紫外光双曲色散超材料共振腔纳米激光源。

图1 (a) 深紫外光双曲色散超材料共振腔纳米激光源示意图; (b) 双曲色散超材料共振腔SEM照片; (c) 超材料之细部SEM照片

图2 (a) 双曲色散超材料共振腔提供的独特回馈循环; (b)共振腔与量子阱强作用场图; (c) 激光频谱数据

双曲色散超材料共振腔激光源的概念除了在深紫外光波段有应用外，也可选择合适的双曲色散超材料组合将工作波段延伸至可见光区与红外光区。同时，双曲色散超材料共振腔的尺寸和制作工艺非常容易与现有的半导体制程技术相结合，并可以与大部分的光电组件进行整合，此双曲色散超材料共振腔的特性使其在商业量产及应用方面有很大潜力。

该工作以Deep-Ultraviolet Hyperbolic Metacavity Laser为题发表在Advanced Materials [30, 1706918 (2018)]上，第一作者是台湾“中研院”沈坤庆博士，通信作者为台湾“中研院”蔡定平教授，该工作得到台湾“中研院”应用科学中心的大力支持，在此表示感谢

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/journal/15214095