等离激元纳米激光器的发展：从概念到未来应用

来源：中国激光

自激光器发明以来，其尺寸的小型化始终是一个重要的研究方向，其目的是为了获得体积更小、功耗更低、调制速度更快的激光光源。在激光器（Laser, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写）中，增益介质通过受激辐射放大光子，因而激光器尺寸受光学衍射极限限制，最小尺度在波长量级（对可见光来说，大约几百纳米）。

为了突破光学衍射极限，获得体积更小的激光器，David Bergman和Mark Stockman在2003年提出了等离激元纳米激光器（Spaser，Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation的首字母缩写；亦称Plasmonic nanolaser）的概念。等离激元纳米激光器中受到受激辐射放大的是等离激元，其最小尺度可远小于波长，达10纳米量级甚至更小。

十余年来，等离激元纳米激光器受到学术界广泛关注，其研究从物理特性到器件应用均取得了长足发展。近期，Advanced Photonics发表了Mark Stockman教授撰写的题为“Brief history of spaser from conception to the future”的综述论文，系统总结了等离激元纳米激光器的研究进展，并展望了其未来发展。

Mark I. Stockman. Brief history of spaser from conception to the future[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(5): 054002

01.

等离激元纳米激光器基本特性

等离激元纳米激光器由等离激元谐振腔和增益材料组成，其工作原理包括增益材料的激发和等离激元辐射和放大的过程。在外界提供的泵浦能量激发下，增益材料产生粒子数反转，处于激发态的电子向低能级跃迁并辐射出电磁场和自由电子振荡耦合形成的等离激元，辐射出的等离激元被受激辐射放大，在谐振腔提供反馈的情况下最终实现等离激元激射。等离激元谐振腔直径可小至10 nm左右，因而等离激元纳米激光器不像激光器一样受光学衍射极限限制，其大小可缩减至电子器件特征尺度（图1）。

图1.等离激元纳米激光器与激光器示意图。

在文章中，Mark Stockman教授从理论上系统总结了等离激元纳米激光器的性能特点，包括激射峰位与物理尺寸的关系、自发辐射速率、光功率输入输出曲线、迟豫时间与直接调制速率、激射线宽和阈值以及二阶相干性等。

02.

等离激元纳米激光器器件与应用

2009年，国际上三个团队首次实现了等离激元纳米激光器。其中，加州大学伯克利分校张翔研究组和北京大学戴伦研究组合作，实现了基于一维半导体纳米线-绝缘体-金属结构的等离激元纳米激光器；埃因霍温理工大学Martin T. Hill研究组与亚利桑那州立大学甯存政研究组等合作，实现了基于金属-半导体-金属三层平板结构的等离激元纳米激光器；诺福克州立大学M. A. Noginov研究组与普渡大学V. M. Shalaev研究组等合作，实现了基于局域表面等离激元共振的金属核-内嵌增益介质壳的核-壳结构的等离激元纳米激光器。2011年，张翔研究组报导了室温半导体等离激元纳米激光器。

如今，光场限制从一维到三维、激射波长从紫外到近红外的各类型等离激元纳米激光器及其阵列被美国、中国、英国、德国、日本、荷兰等国科研机构成功在实验上实现。2017年，我们研究组通过系统实验证明了等离激元效应可以使纳米激光器同时具有更小的体积，更高的调制速度和更低的能耗。

作为纳米尺度局域的相干光源，等离激元纳米激光器有着广泛的应用，包括传感探测、光电互联、医疗诊断和超分辨成像等（图2）。

图2. 等离激元纳米激光器主要应用领域。

在传感探测方面，等离激元纳米激光器可以工作在两种不同的模式。一方面是痕量气体分子的传感探测。比如用常规手段难以探测的爆炸物分子，等离激元纳米激光器的探测灵敏度可以超过十亿分之一。另一方面是折射率探测。表面等离激元共振传感器已经被广泛应用。等离激元激光器通过受激辐射补偿表面等离激元共振中的金属损耗，可以进一步提高表面等离激元共振传感器的探测灵敏度，实现激射增强型等离激元传感器。

在光电互连方面，等离激元激光器有望解决芯片上光电互联缺乏片上光源的“瓶颈”。目前，半导体激光器研究的核心问题之一是解决数据传输不断增长的能耗问题。为了降低总的数据传输能耗，关键是降低每比特能耗，这就要求体积更小、能耗更低的纳米尺度激光器。在这一应用领域，等离激元激光器具有体积更小、速度更快、能耗更低的特点和优势。

在医疗诊断方面，等离激元激光器可以被活细胞兼容，从而作为细胞内原位光源对细胞进行成像诊断。更进一步，可以利用等离激元激光器在激射时产生的热量，使激光器周围产生蒸汽泡，进而对细胞进行杀伤。这一特点可以用于癌细胞的清除。

在超分辨成像方面，等离激元纳米激光器的受激辐射有望替代荧光分子的自发辐射，解决荧光分子的淬灭和光通量不足的问题，实现高通量快速实时超分辨光学成像。而且激光器受激辐射的线宽远小于荧光分子的荧光线宽，为多波长通道超分辨光学成像提供了便利。

03.

展望

Mark Stockman教授还展望了等离激元纳米激光器的未来发展，认为电泵浦等离激元纳米激光器、超快直调等离激元纳米激光器和拓扑等离激元纳米激光器是其未来重要发展方向，片上光电互连是等离激元纳米激光器最可期待的应用方向。

04.

深切怀念

文章在线发表约两周后，传来噩耗，Mark Stockman教授因病逝世，本文作者与Advanced Photonics谨以此文深切怀念Mark Stockman教授。Mark Stockman教授生前任职于Georgia State University，是纳米光子学研究的先驱，在等离激元纳米光子学、无序介质光学和超快光子学等多个领域做出了卓越贡献。他发表了190多篇学术论文，组织了一系列等离激元纳米光子学的国际会议，并多次在重要国际会议中做精彩学术报告。他对未知领域的勇敢探索，对科学研究的巨大热情将激励我们继续前行。