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微型激光器之争:光子激光器与等离子体激光器

发布:HPLSElaser    |    2018-01-11 14:09    阅读:462
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科研人员通过比较研究超过100台光子激光器和等离子体激光器的性能得出结论,当谐振腔体积接近衍射极限时,等离子体激光器性能更优越。

纳米光子学界一直存在争议的问题是激光器的尺寸是否重要,是否有助于降低微米级和亚微米级激光器的阈值,以及与增益介质接触的金属是否会提高或降低激光性能。在Nature Communications上发表的一篇文章中,Ren-Min Ma等人通过深入的实验研究解决了这个问题,并得出结论:当激光器尺寸接近衍射极限时,等离子激元(金属基)激光器比传统光子激光器的速度更快、阈值更低、功耗更小(图1)。


图1:等离子体激光器和光子激光器的比较。在纳米尺度上,等离子(金属基)激光器优于传统的光子激光器,因为它们速度更快、阈值更低、功耗更小。图片来源:麦克米伦出版公司。

激光器有两个主要部件:提供受激发射和光放大的增益介质,和促进受激发射增大的谐振腔,一般来说,谐振腔将反射所产生的光子到其产生的地方,并且实现激光辐射的相干性。支持驻波振荡模式的最基本的激光腔由两个平行的平面镜组成,镜间距离等于激光辐射“半波长”的整数倍。因此,反射镜之间的最小距离等于半波长,相当于激光光谱的可见光部分,这比现代晶体管的典型尺寸大一个数量级。这阻碍了通过用更快的光学电路代替电子电路来维护摩尔定律的想法,这将需要基于激光的光源和放大器的相干光。

Bergman和Stockman在2003年提出了一种解决激光器尺寸问题的全新解决方案,他们提出改变谐振腔的放大机制,用支持自由电子谐振的纳米级金属结构代替反射镜耦合电磁辐射模式,被称为局域表面等离子体。这种设备又称为“spaser”,尺寸可以小到几纳米,主要是为了产生表面等离子体而不是光子,并直接集成到光频电路。2009年的第一个实验证明,基于“spaser”的纳米激光器,提供受激发射的14-nm金等离子体纳米颗粒被44-nm染料掺杂的二氧化硅外壳包围。各种微米级和亚微米级的等离子体激光的快速发展,使纳米电路在光学频率下运行的梦想更接近现实。

除了激光器的尺寸不受激光半波长的衍射极限限制,还带来了以下问题:一方面,由金属颗粒和结构支撑的局域表面等离子体使得激光器尺寸很小,将有可能降低功耗并提高速度。另一方面,金属因为具有较大的光学损耗,会增加激光阈值和整体功耗。

Ma等研究人员制作了一个长方形CdSe板,将总计170个光泵浦等离子体和光子激光器分别放置在MgF2/Au和二氧化硅基板上,板厚度在50~1000nm之间,长度在0.8?6μm之间。其中金属辅助激光器与“spaser”的关键区别在于,虽然激光模的体积小于波长,但所展示的激光器仅在一个垂直维度上是亚波长的,而在另一个维度上仍然比波长大,并且由于来自谐振腔边缘的反射而表现出标准的多重共振。实验结果是只有小部分光能穿透金属,并且与所有三维空间中都是亚波长的金属结构相比,损耗也大幅度降低。

研究人员已经研究了受激发射阈值功率密度Pth/S,在阈值Pth(mW)的功率消耗和发射寿命τ作为CdSe板的体积V的函数λ,并且发现发射寿命τ与多个平板厚度T的阈值功率密度Pth/S相关。研究表明,尽管大(V≥5λ)光子激光器中的Pth和Pth/S相当,但是在较小激光体积下将显著增加,特别是在CdSe平板的厚度接近衍射极限的情况下。同时,小型等离子体激光器(T≤衍射极限)随着体积的减小,Pth/S的增长显著减小,功率消耗也随着体积的减小而减小。

空腔中的自发辐射寿命,在没有非辐射衰减的情况下大致与激光模体积Vm成正比,并且由于发射极是宽带的,与品质因子Q成反比。因此,在光子和等离子体激光器中,随着CdSe板体积的减小,寿命也将会缩短。这个预测与在不同尺寸的激光器中测量的实验发射寿命是一致的。此外,实验证明该阈值随着自发辐射寿命的缩短而增长,与现有的理论完全符合。

更重要的是,研究人员已经通过实验证明,对于相同的激光阈值,亚衍射等离子体激光器具有比光子激光器更短的寿命。因此,当谐振腔体积接近或小于衍射极限的三次方时,等离子激光器将更快并且具有比光子激光器更低的阈值。

由Ma等研究人员得出的结果是非常重要的,因为他们证明了等离子体激光器优于光子激光器,并为其进一步小型化打开了大门。在这个方向上的关键一步将是关于等离子体激光器的尺寸依赖性实验研究,对所有三个维度进行亚衍射实验,并将结果与理论预测进行比较。然而长远来看,电泵浦等离子体纳米激光器将真正打开这些设备实际应用的大门。

来源: https://www.nature.com/articles/nmat5065

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