納米激光器是由納米線等納米材料作為(wei) 諧振腔，在光激發或電激發下能夠出射激光的微納器件。這種激光器的尺寸往往隻有數百微米甚至幾十微米，直徑更是達到納米量級，是未來薄膜顯示、集成光學等領域中的重要組成部分。

2003年1月16日出版的雜誌曾報道，美國哈佛大學成功開發出一種新型納米激光器，它比人的頭發絲(si) 還細千倍，安裝在微芯片上，能提高計算機磁盤和光子計算機的信息存儲(chu) 量。這種新型激光器乃是用半導體(ti) 硫化鎘製成的納米線，直徑隻有萬(wan) 分之一毫米。2014年，浙江大學在《NanoLetters》上刊文，介紹了其開發的一種波長連續可調的納米激光器，其出射激光的波長範圍達到119納米，覆蓋紅綠藍三種顏色，是目前報道的出射光譜範圍最寬的納米激光器。

納米激光器的分類：

1.納米導線激光器

2001年，美國加利福尼亞(ya) 大學伯克利分校的研究人員在隻及人的頭發絲(si) 千分之一的納米光導線上製造出世界最小的激光器—納米激光器。這種激光器不僅(jin) 能發射紫外激光，經過調整後還能發射從(cong) 藍色到深紫外的激光。研究人員使用一種稱為(wei) 取向附生的標準技術，用純氧化鋅晶體(ti) 製造了這種激光器。他們(men) 先是“培養(yang) ”納米導線，即在金層上形成直徑為(wei) 20nm～150nm，長度為(wei) 10000nm的純氧化鋅導線。然後，當研究人員在溫室下用另一種激光將納米導線中的純氧化鋅晶體(ti) 激活時，純氧化鋅晶體(ti) 會(hui) 發射波長隻有17nm的激光。這種納米激光器最終有可能被用於(yu) 鑒別化學物質，提高計算機磁盤和光子計算機的信息存儲(chu) 量。

2.紫外納米激光器

納米線波導實現光放大的示意圖（左），納米線的掃描電子顯微鏡照片（右）。

繼微型激光器、微碟激光器、微環激光器、量子雪崩激光器問世後，美國加利福尼亞(ya) 伯克利大學的化學家楊佩東(dong) 及其同事製成了室溫納米激光器。這種氧化鋅納米激光器在光激勵下能發射線寬小於(yu) 0.3nm、波長為(wei) 385nm的激光，被認為(wei) 是世界上最小的激光器，也是采用納米技術製造的首批實際器件之一。在開發的初始階段，研究人員就預言這種ZnO納米激光器容易製作、亮度高、體(ti) 積小，性能等同甚至優(you) 於(yu) GaN藍光激光器。由於(yu) 能製作高密度納米線陣列，所以，ZnO納米激光器可以進入許多今天的GaAs器件不可能涉及的應用領域。為(wei) 了生長這種激光器，ZnO納米線要用催化外延晶體(ti) 生長的氣相輸運法合成。首先，在藍寶石襯底上塗敷一層1 nm~3.5nm厚的金膜，然後把它放到一個(ge) 氧化鋁舟上，將材料和襯底在氨氣流中加熱到880℃~905℃，產(chan) 生Zn蒸汽，再將Zn蒸汽輸運到襯底上，在2min~10min的生長過程內(nei) 生成截麵積為(wei) 六邊形的2μm~10μm的納米線。研究人員發現，ZnO納米線形成天然的激光腔，其直徑為(wei) 20nm~150nm，其大部分（95%）直徑在70nm~100nm。為(wei) 了研究納米線的受激發射，研究人員用Nd:YAG激光器（266nm波長，3ns脈寬）的四次諧波輸出在溫室下對樣品進行光泵浦。在發射光譜演變期間，光隨泵浦功率的增大而激射，當激射超過ZnO納米線的閾值（約為(wei) 40kW/cm）時，發射光譜中會(hui) 出現最高點，這些最高點的線寬小於(yu) 0.3nm，比閾值以下自發射頂點的線寬小1/50以上。這些窄的線寬及發射強度的迅速提高使研究人員得出結論：受激發射的確發生在這些納米線中。因此，這種納米線陣列可以作為(wei) 天然的諧振腔，進而成為(wei) 理想的微型激光光源。研究人員相信，這種短波長納米激光器可應用在光計算、信息存儲(chu) 和納米分析儀(yi) 等領域中。

圖片說明：基於(yu) 二維材料的納米激光器的結構示意圖。

網狀結構示意單層二維材料，底下是一個(ge) 用作激光腔的矽納米懸臂。

3.量子阱激光器

2010年前後，蝕刻在半導體(ti) 片上的線路寬度將達到100nm以下，在電路中移動的將隻有少數幾個(ge) 電子，一個(ge) 電子的增加和減少都會(hui) 給電路的運行造成很大影響。為(wei) 了解決(jue) 這一問題，量子阱激光器就誕生了。在量子力學中，把能夠對電子的運動產(chan) 生約束並使其量子化的勢場稱之成為(wei) 量子阱。而利用這種量子約束在半導體(ti) 激光器的有源層中形成量子能級，使能級之間的電子躍遷支配激光器的受激輻射，這就是量子阱激光器。量子阱激光器有兩(liang) 種類型：量子線激光器和量子點激光器。

①量子線激光器

隨著科學家研製出功率比傳(chuan) 統激光器大1000倍的量子線激光器，從(cong) 而向創造速度更快的計算機和通信設備邁進了一大步。這種激光器可以提高音頻、視頻、因特網及其他采用光纖網絡的通信方式的速度，它是由來自耶魯大學、位於(yu) 新澤西洲的朗訊科技公司貝爾實驗室及德國德累斯頓馬克斯·普朗克物理研究所的科學家們(men) 共同研製的。這些較高功率的激光器會(hui) 減少對昂貴的中繼器的要求，因為(wei) 這些中繼器在通信線路中每隔80km（50mile）安裝一個(ge) ，再次產(chan) 生激光脈衝(chong) ，脈衝(chong) 在光纖中傳(chuan) 播時強度會(hui) 減弱（中繼器）。

②量子點激光器

由直徑小於(yu) 20nm的一堆物質構成或者相當於(yu) 60個(ge) 矽原子排成一串的長度的量子點，可以控製非常小的電子群的運動而不與(yu) 量子效應衝(chong) 突。科學家們(men) 希望用量子點代替量子線獲得更大的收獲，但是，研究人員已製成的量子點激光器卻不盡人意。原因是多方麵的，包括製造一些大小幾乎完全相同的電子群有困難。大多數量子裝置要在極低的溫度條件下工作，甚至微小的熱量也會(hui) 使電子變得難以控製，並且陷入量子效應的困境。但是，通過改變材料使量子點能夠更牢地約束電子，日本電子技術實驗室的鬆本和斯坦福大學的詹姆斯和哈裏斯等少數幾位工程師最近已製成可在室溫下工作的單電子晶體(ti) 管。但很多問題仍有待解決(jue) ，開關(guan) 速度不高，偶然的電能容易使單個(ge) 電子脫離預定的路線。因此，大多數科學家正在努力研製全新的方法，而不是仿照計算機設計量子裝置。

4.微腔激光器

微腔激光器是當代半導體(ti) 研究領域的熱點之一，它采用了現代超精細加工技術和超薄材料加工技術，具有高集成度、低噪聲的特點，其功耗低的特點尤為(wei) 顯著，100萬(wan) 個(ge) 激光器同時工作，功耗隻有5W。

該激光器主要的類型就是微碟激光器，即一種形如碟型的微腔激光器，最早由貝爾實驗室開發成功。其內(nei) 部為(wei) 采用先進的蝕刻工藝蝕刻出的直徑隻有幾微米、厚度隻有100nm的極薄的微型園碟，園碟的周圍是空氣，下麵靠一個(ge) 微小的底座支撐。由於(yu) 半導體(ti) 和空氣的折射率相差很大，微碟內(nei) 產(chan) 生的光在此結構內(nei) 發射，直到所產(chan) 生的光波積累足夠多的能量後沿著它的邊緣折射，這種激光器的工作效率很高、能量閾值很低，工作時隻需大約100μA的電流。

自從(cong) McCall等人1992年報道了用低溫光抽運 InGaAsP係材料製造的微腔激光器以來，半導體(ti) 微碟激光器先後在GaAlAs/GaAs、GaN/A1GaN、InGaN/GaN等多種新材料體(ti) 係中以脈衝(chong) 室溫電抽運和連續室溫電抽運和連續室溫光抽運等多種工作方式實現了激光發射。美國加利福尼亞(ya) 大學、伊利諾伊州Northwesten大學、貝爾實驗室、俄勒岡(gang) 大學、日本YoKohama National大學和朝鮮科學與(yu) 技術高級研究學院等均開展了InGaAs/InGaAsP量子阱的研究和量子級聯微碟激光器的開發和研究，並已取得了很大的進展。

在國內(nei) ，長春光學精密機械學院高功率半導體(ti) 激光國家重點實驗室和中國科學院北京半導體(ti) 研究所從(cong) 經典量子電動力學理論出發研究了微碟激光器的工作原理，采用光刻、反應離子刻蝕和選擇化學腐蝕等微細加工技術製備出直徑為(wei) 9.5μm、低溫光抽運InGaAs/InGaAsP多量子阱碟狀微腔激光器。它在光通訊、光互聯和光信息處理等方麵有著很好的應用前景，可用作信息高速公路中最理想的光源。

微腔光子技術，如微腔探測器、微腔諧振器、微腔光晶體(ti) 管、微腔放大器及其集成技術研究的突破，可使超大規模集成光子回路成為(wei) 現實。因此，包括美國在內(nei) 的一些發達國家都在微腔激光器的研究方麵投人大量的人力和物力。長春光機與(yu) 物理所的科技人員打破常規，用光刻方法實現了碟型微腔激光器件的圖形轉移，用濕法及幹法刻蝕技術製作出碟型微腔結構，在國內(nei) 首次研製出直徑分別為(wei) 8μm、4.5μm和2μm的光泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器。其中，2μm直徑的微碟激光器在77K溫度下的激射闊值功率為(wei) 5μW，是國際上報道中的最好水平。此外，他們(men) 還在國內(nei) 首次研製出激射波長為(wei) 1.55μm，激射閾值電流為(wei) 2.3mA，在77K下激射直徑為(wei) 10μm的電泵浦InGaAs/InGaAsP微碟激光器以及國際上首個(ge) 帶有引出電極結構的電泵浦微柱激光器。值得一提的是，這種微碟激光器具有高集成度、低閾值、低功耗、低噪聲、極高的響應、可動態模式工作等優(you) 點，在光通信、光互連、光信息處理等方麵的應用前景廣闊，可用於(yu) 大規模光子器件集成光路，並可與(yu) 光纖通信網絡和大規模、超大規模集成電路匹配，組成光電子信息集成網絡，是當代信息高速公路技術中最理想的光源；同時，可以和其他光電子元件實現單元集成，用於(yu) 邏輯運算、光網絡中的光互連等。

5.新型納米激光器

據報道，世界上最早的納米激光器是由美國加州大學伯克利分校的科學家於(yu) 2001年製造的，當時使用的是氧化鋅納米線，可發射紫外光，經過調整後還能發射從(cong) 藍色到深紫外的激光。但是，美中不足的是隻有用另一束激光將納米線中的氧化鋅晶體(ti) 激活，其才會(hui) 發射出激光。而新型納米激光器具備了電子自動開關(guan) 的性能，無需借助外力激活，這無疑會(hui) 使其實用性大為(wei) 增強。