激光廣泛應(yīng)用于家用電器、醫(yī)藥、工業(yè)、電信等領(lǐng)域。幾年前，科學(xué)家們引進(jìn)了納米激光器這一概念。它們的設(shè)計(jì)類(lèi)似于幾十年來(lái)常用的基于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器。不同之處在于，納米激光器的空腔非常小，與它們發(fā)射的光的波長(zhǎng)成正比。由于它們主要產(chǎn)生可見(jiàn)光和紅外線，所以其大小大約為百萬(wàn)分之一米。
納米激光器具有與宏觀激光器截然不同的獨(dú)特性能。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是相干的;此外，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，區(qū)分納米激光器的兩種狀態(tài)是很重要的：在大電流下具有相干輸出的真實(shí)激光作用和在低電流下具有非相干輸出的類(lèi)LED狀態(tài)。莫斯科物理與技術(shù)研究所的研究人員開(kāi)發(fā)了一種方法來(lái)確定在什么情況下納米激光器可以被稱(chēng)為真正的激光器。這項(xiàng)研究發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)Optics Express》上。
在不久的將來(lái)，納米激光器將被集成到集成光學(xué)電路中，在集成光學(xué)電路中，它們將被用于新一代基于光子波導(dǎo)的高速互連，這將使CPU和GPU的性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同樣，光纖互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)提高了連速度，同時(shí)也提高了能源效率。
到目前為止，這并不是納米激光器唯一可能的應(yīng)用。研究人員已經(jīng)在開(kāi)發(fā)化學(xué)和生物傳感器，僅僅是百萬(wàn)分之一米的尺寸，而機(jī)械應(yīng)力傳感器只有幾十億分之一米小。納米激光也有望用于控包括人類(lèi)在內(nèi)的活生物體的神經(jīng)元活動(dòng)。
圖1.(A)傳統(tǒng)宏觀激光器輸出功率和(B)給定溫度下典型納米級(jí)激光器對(duì)于泵電流的依賴(lài)性關(guān)系。
為了使輻射源具有激光的特性，它需要滿足許多要求，主要的一點(diǎn)是必須發(fā)射相干輻射。與相干密切相關(guān)的一個(gè)獨(dú)特特性是存在所謂的激光閾值。當(dāng)泵浦電流低于這個(gè)閾值時(shí)，輸出輻射大部分是自發(fā)的，其特性與傳統(tǒng)的發(fā)光二極管(LED)的輸出沒(méi)有區(qū)別。但一旦達(dá)到閾值電流，輻射就會(huì)變得連貫。在這一點(diǎn)上，傳統(tǒng)的宏觀激光器的發(fā)射光譜縮小，其輸出功率尖峰。后一種特性提供了一種確定激光閾值的簡(jiǎn)單方法，即通過(guò)研究輸出功率隨泵電流的變化情況(上圖A)。
許多納米激光器的行為與傳統(tǒng)的宏觀激光器一樣，顯示出閾值電流。然而，對(duì)于某些設(shè)備，激光閾值不能通過(guò)分析輸出功率與泵電流曲線來(lái)確定，因?yàn)樗鼪](méi)有特殊的特征，只是對(duì)數(shù)刻度上的一條直線(上圖B)。這種納米激光器被稱(chēng)為“無(wú)閾值激光器”，這就提出了一個(gè)問(wèn)題：它們的輻射在什么電流下變得相干，或像激光一樣?
回答這一問(wèn)題的顯方法是測(cè)量相干度。然而，與發(fā)射光譜和輸出功率不同，在納米激光器的情況下很難測(cè)量相干度，因?yàn)檫@需要能夠以萬(wàn)億分之一秒記錄強(qiáng)度波動(dòng)的設(shè)備，這是納米激光器內(nèi)部過(guò)程發(fā)生的時(shí)間尺度。
莫斯科物理和技術(shù)研究所的安德烈·維什尼維和德米特里·費(fèi)迪亞寧發(fā)現(xiàn)了一種繞過(guò)技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性的直相干測(cè)量的方法。他們開(kāi)發(fā)了一種利用主要激光參數(shù)來(lái)量化納米激光輻射相干度的方法。研究人員聲稱(chēng)他們的技術(shù)可以確定任何納米激光器的閾值電流(上圖B)。他們發(fā)現(xiàn)，即使是一個(gè)“無(wú)閾值”的納米激光器，實(shí)際上也有一個(gè)分離發(fā)光二極管和激光場(chǎng)的獨(dú)特的閾值電流。發(fā)射的輻射在這個(gè)閾值電流以下是不相干的，在它上面是相干的。
圖2.上圖所示為納米激光閾值電流與器件溫度的關(guān)系。
令人驚訝的是，納米激光器的閾值電流與輸出特性或發(fā)射光譜的縮小沒(méi)有任何關(guān)系，這是宏觀激光器中激光閾值的標(biāo)志。圖1b清楚地表，即使在輸出特性中看到一個(gè)顯的點(diǎn)，在更高的電流下也會(huì)發(fā)生到激光狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這是激光科學(xué)家們從納米激光中無(wú)法預(yù)料的。
“我們的計(jì)算表，在大多數(shù)關(guān)于納米激光器的論文中，激光的工作機(jī)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。盡管有研究在輸出特性的扭結(jié)點(diǎn)上進(jìn)行測(cè)量，但納米激光發(fā)射是不相干的，因?yàn)閷?shí)際的激光閾值是扭結(jié)值以上的數(shù)量級(jí)，”費(fèi)迪亞寧補(bǔ)充道：“通常，由于納米激光的自加熱，很難實(shí)現(xiàn)相干輸出。”
因此，區(qū)分錯(cuò)覺(jué)激光閾值與實(shí)際激光閾值是非常重要的。雖然相干測(cè)量和計(jì)算都很困難，但維什涅維奇和費(fèi)迪亞寧提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，可以應(yīng)用于任何納米激光。利用這個(gè)公式和輸出特性，納米激光工程師現(xiàn)在可以快速測(cè)量他們所創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)的閾值電流(見(jiàn)圖2)。
維什涅維奇和費(fèi)迪亞寧報(bào)告的研究結(jié)果能夠提前預(yù)測(cè)納米激光的輻射點(diǎn)，而不管其設(shè)計(jì)如何一致。這將使工程師能夠確定地開(kāi)發(fā)具有預(yù)定特性和保證相干的納米激光。
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