激光廣泛應用於(yu) 家用電器、醫藥、工業(ye) 、電信等領域。幾年前，科學家們(men) 引進了納米激光器這一概念。它們(men) 的設計類似於(yu) 幾十年來常用的基於(yu) 異質結構的傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器。不同之處在於(yu) ，納米激光器的空腔非常小，與(yu) 它們(men) 發射的光的波長成正比。由於(yu) 它們(men) 主要產(chan) 生可見光和紅外線，所以其大小大約為(wei) 百萬(wan) 分之一米。
 

　　納米激光器具有與(yu) 宏觀激光器截然不同的獨特性能。然而，幾乎不可能確定在什麽(me) 電流下納米激光器的輸出輻射是相幹的;此外，對於(yu) 實際應用，區分納米激光器的兩(liang) 種狀態是很重要的：在大電流下具有相幹輸出的真實激光作用和在低電流下具有非相幹輸出的類LED狀態。莫斯科物理與(yu) 技術研究所的研究人員開發了一種方法來確定在什麽(me) 情況下納米激光器可以被稱為(wei) 真正的激光器。這項研究發表在《光學快報Optics Express》上。
 

　　在不久的將來，納米激光器將被集成到集成光學電路中，在集成光學電路中，它們(men) 將被用於(yu) 新一代基於(yu) 光子波導的高速互連，這將使CPU和GPU的性能提高幾個(ge) 數量級。同樣，光纖互聯網的出現提高了連速度，同時也提高了能源效率。
 

　　到目前為(wei) 止，這並不是納米激光器唯一可能的應用。研究人員已經在開發化學和生物傳(chuan) 感器，僅(jin) 僅(jin) 是百萬(wan) 分之一米的尺寸，而機械應力傳(chuan) 感器隻有幾十億(yi) 分之一米小。納米激光也有望用於(yu) 控包括人類在內(nei) 的活生物體(ti) 的神經元活動。
 

　　圖1.(A)傳(chuan) 統宏觀激光器輸出功率和(B)給定溫度下典型納米級激光器對於(yu) 泵電流的依賴性關(guan) 係。

　　為(wei) 了使輻射源具有激光的特性，它需要滿足許多要求，主要的一點是必須發射相幹輻射。與(yu) 相幹密切相關(guan) 的一個(ge) 獨特特性是存在所謂的激光閾值。當泵浦電流低於(yu) 這個(ge) 閾值時，輸出輻射大部分是自發的，其特性與(yu) 傳(chuan) 統的發光二極管(LED)的輸出沒有區別。但一旦達到閾值電流，輻射就會(hui) 變得連貫。在這一點上，傳(chuan) 統的宏觀激光器的發射光譜縮小，其輸出功率尖峰。後一種特性提供了一種確定激光閾值的簡單方法，即通過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(wei) 與(yu) 傳(chuan) 統的宏觀激光器一樣，顯示出閾值電流。然而，對於(yu) 某些設備，激光閾值不能通過分析輸出功率與(yu) 泵電流曲線來確定，因為(wei) 它沒有特殊的特征，隻是對數刻度上的一條直線(上圖B)。這種納米激光器被稱為(wei) “無閾值激光器”，這就提出了一個(ge) 問題：它們(men) 的輻射在什麽(me) 電流下變得相幹，或像激光一樣?
 

　　回答這一問題的顯方法是測量相幹度。然而，與(yu) 發射光譜和輸出功率不同，在納米激光器的情況下很難測量相幹度，因為(wei) 這需要能夠以萬(wan) 億(yi) 分之一秒記錄強度波動的設備，這是納米激光器內(nei) 部過程發生的時間尺度。
 

　　莫斯科物理和技術研究所的安德烈·維什尼維和德米特裏·費迪亞(ya) 寧發現了一種繞過技術上具有挑戰性的直相幹測量的方法。他們(men) 開發了一種利用主要激光參數來量化納米激光輻射相幹度的方法。研究人員聲稱他們(men) 的技術可以確定任何納米激光器的閾值電流(上圖B)。他們(men) 發現，即使是一個(ge) “無閾值”的納米激光器，實際上也有一個(ge) 分離發光二極管和激光場的獨特的閾值電流。發射的輻射在這個(ge) 閾值電流以下是不相幹的，在它上麵是相幹的。
 

　　圖2.上圖所示為(wei) 納米激光閾值電流與(yu) 器件溫度的關(guan) 係。
 

　　令人驚訝的是，納米激光器的閾值電流與(yu) 輸出特性或發射光譜的縮小沒有任何關(guan) 係，這是宏觀激光器中激光閾值的標誌。圖1b清楚地表，即使在輸出特性中看到一個(ge) 顯的點，在更高的電流下也會(hui) 發生到激光狀態的轉變。這是激光科學家們(men) 從(cong) 納米激光中無法預料的。
 

　　“我們(men) 的計算表，在大多數關(guan) 於(yu) 納米激光器的論文中，激光的工作機沒有實現。盡管有研究在輸出特性的扭結點上進行測量，但納米激光發射是不相幹的，因為(wei) 實際的激光閾值是扭結值以上的數量級，”費迪亞(ya) 寧補充道：“通常，由於(yu) 納米激光的自加熱，很難實現相幹輸出。”
 

　　因此，區分錯覺激光閾值與(yu) 實際激光閾值是非常重要的。雖然相幹測量和計算都很困難，但維什涅維奇和費迪亞(ya) 寧提出了一個(ge) 簡單的公式，可以應用於(yu) 任何納米激光。利用這個(ge) 公式和輸出特性，納米激光工程師現在可以快速測量他們(men) 所創建的結構的閾值電流(見圖2)。
 

　　維什涅維奇和費迪亞(ya) 寧報告的研究結果能夠提前預測納米激光的輻射點，而不管其設計如何一致。這將使工程師能夠確定地開發具有預定特性和保證相幹的納米激光。