本文作者：馬仁敏，係北京大學物理學院教授

激光器廣泛應用於(yu) 通信、醫學成像與(yu) 手術、消費電子等領域，它深刻改變了大眾(zhong) 的生活。近年來，為(wei) 了讓激光器的尺寸更小，科學家研製出了納米激光器——不僅(jin) 進一步推動光子器件的小型化與(yu) 集成化發展，還為(wei) 研究極端條件下光與(yu) 物質的相互作用開辟了新路徑。本文從(cong) 光的產(chan) 生開始，帶您深入探索納米激光器的世界。

在信息技術領域，晶體(ti) 管和激光器是兩(liang) 大核心元件。晶體(ti) 管的微型化推動電子芯片飛速發展，並催生廣為(wei) 人知的摩爾定律——每隔約18個(ge) 月，集成電路上可容納的晶體(ti) 管數量將翻一番，這一趨勢推動最先進的晶體(ti) 管尺寸達到納米級別。目前，大眾(zhong) 使用的手機和電腦芯片中已能集成超過百億(yi) 個(ge) 晶體(ti) 管，從(cong) 而使這些設備具備強大的信息處理能力，推動數字與(yu) 智能時代到來。與(yu) 此同時，激光器的微型化則引發了光子技術革命。經過半個(ge) 多世紀發展，微型半導體(ti) 激光器已廣泛應用於(yu) 通信、數據存儲(chu) 、醫學成像與(yu) 手術、傳(chuan) 感與(yu) 測量、消費電子、增材製造、顯示與(yu) 照明等領域。

相比晶體(ti) 管，縮小激光器的難度更大，這主要在於(yu) 兩(liang) 者所依賴的微觀粒子截然不同——晶體(ti) 管依賴電子，而激光器依賴光子。在可見光和近紅外波段，光子波長比晶體(ti) 管中的電子波長高出3個(ge) 數量級。受衍射極限的製約，這些光子能被壓縮到的最小模式體(ti) 積比晶體(ti) 管中的電子大了約9個(ge) 數量級，即10億(yi) 倍。構建納米尺度激光器的核心挑戰在於(yu) 如何突破衍射極限，將光子的體(ti) 積“壓縮”到極限。攻克這一難題不僅(jin) 能顯著推動光子技術發展，還將催生許多全新的應用場景。設想一下，當光子像電子一樣，可以在納米尺度上被靈活操控，我們(men) 就可以用光直接觀察DNA的精細結構，還可以製造大規模光電集成芯片，信息處理速度和效率將得到飛躍性提升。

近年來，通過表麵等離激元和奇點光場局域機製，激光模式體(ti) 積已突破光學衍射極限，進入納米尺度，從(cong) 而催生納米激光器。

1.打開探索未知的璀璨之門

在自然界，光產(chan) 生的方式有兩(liang) 種：自發輻射和受激輻射。

自發輻射是一個(ge) 奇妙的過程，即使在完全黑暗、沒有任何外來光子的情況下，物質也能自行發光。這是因為(wei) 真空並非真正的“空無一物”，其中充滿了微小的能量波動，稱為(wei) 真空零點能。真空零點能可以促使處於(yu) 激發狀態的物質釋放光子。例如，點燃一支蠟燭，便產(chan) 生了燭光。人類利用火的曆史可以追溯到100多萬(wan) 年前，火為(wei) 人類祖先帶來光明和溫暖，開啟文明篇章。火焰和白熾燈都是自發輻射的光源，它們(men) 通過燃燒或加熱，使電子進入高能態，然後在真空零點能作用下，釋放出光子，照亮世界。

受激輻射則揭示了光與(yu) 物質之間更為(wei) 深刻的互動。當外來的光子經過處於(yu) 激發狀態的物質時，會(hui) 引發物質釋放出與(yu) 入射光子完全相同的新光子。這種被“複製”出的光子，使得光束具有高度的方向性和一致性，這便是我們(men) 熟悉的激光。雖然激光的發明距今還不到一個(ge) 世紀，但它已迅速融入大眾(zhong) 生活，帶來翻天覆地的變化。

激光的發明為(wei) 人類打開了一扇探索未知的璀璨之門。它為(wei) 我們(men) 提供了強大的工具，極大推動現代文明發展。在信息通信領域，激光將高速光纖通信變為(wei) 現實，讓全球互聯互通成為(wei) 可能。在醫療方麵，激光手術具有高精度和微創的特點，為(wei) 患者帶來更安全、更有效的治療方法。在工業(ye) 製造中，激光切割和焊接提高了生產(chan) 效率和產(chan) 品精度，讓人們(men) 打造出更精密的機械和設備。在科學研究中，激光是引力波探測和量子信息技術的關(guan) 鍵工具，幫助科學家揭開宇宙的神秘麵紗。

從(cong) 日常生活中的激光打印、醫療美容到前沿科技的可控核聚變、激光雷達和激光武器，激光已無處不在，深刻地影響著世界發展。它不僅(jin) 改變了我們(men) 的生活方式，更擴展了人類認識和改造自然的能力。

2.理解和利用自然的強大工具

愛因斯坦受到普朗克的黑體(ti) 輻射定律啟發，於(yu) 1917年提出受激輻射概念，這一發現為(wei) 激光的發明奠定了基礎。1954年，美國科學家湯斯等首次報道了利用受激輻射實現的微波振蕩器，即微波激射器。他們(men) 采用激發態的氨分子作為(wei) 增益介質，利用長約12厘米的微波諧振腔提供反饋，實現了波長約12.56厘米的微波激射。微波激射器被視為(wei) 激光器的前身，但激光器能夠產(chan) 生更高頻率的相幹輻射，具有更小體(ti) 積、更高強度、更高信息載量等優(you) 勢。

1960年，美國科學家梅曼發明了第一台激光器。他使用一根長約1厘米的紅寶石棒作為(wei) 增益介質，棒的兩(liang) 端鍍銀，充當反射鏡以提供光學反饋。在閃光燈激發下，該裝置產(chan) 生了波長為(wei) 694.3納米的激光輸出。值得注意的是，微波激射器的尺寸與(yu) 其波長在同一量級。按照這種比例關(guan) 係，激光器的尺寸理應可以做到約700納米。然而，第一台激光器的尺寸遠遠大於(yu) 此，超過了4個(ge) 數量級。將激光器縮小到與(yu) 波長相當的尺寸，耗費了大約30年時間，而突破波長限製，實現深亞(ya) 波長的激光器，則用了半個(ge) 世紀。

與(yu) 普通光源相比，微波激射器和激光器的輻射能量集中在極窄的頻率範圍內(nei) 。因此，這兩(liang) 項發明可視為(wei) 通過受激輻射實現了電磁波在頻率空間的局域化。受激輻射還可用於(yu) 在時間、動量和空間維度上局域化電磁波。通過在這些維度上對電磁波進行局域化，激光光源能夠實現極其穩定的頻率振蕩、超短的脈衝(chong) 、高度的方向性和極小的模式體(ti) 積，這使我們(men) 能精確測量時間、觀察快速運動、遠距離傳(chuan) 輸信息和能量、實現設備小型化，並獲得更高的成像分辨率。

自激光問世以來，人們(men) 不斷在頻率、時間、動量和空間等維度上實現更強光場局域化的追求，推動激光物理研究和激光器件迅速發展，使激光成為(wei) 理解和利用自然的強大工具。

在頻率維度上，通過高品質因子腔、反饋控製和環境隔離等技術，激光器能夠保持極其穩定的頻率，推動多項重大科學研究取得突破，例如玻色—愛因斯坦凝聚（2001年諾貝爾物理學獎）、精密激光光譜（2005年諾貝爾物理學獎）和引力波探測（2017年諾貝爾物理學獎）。

在時間維度上，鎖模技術和高次諧波產(chan) 生技術使得超短激光脈衝(chong) 成為(wei) 現實。阿秒激光通過極致的時間局域化，能夠產(chan) 生持續僅(jin) 1個(ge) 光學周期左右的光脈衝(chong) 。這一突破使得觀察原子內(nei) 層電子運動等超快過程成為(wei) 可能，獲得了2023年諾貝爾物理學獎。

在動量維度上，大麵積單模激光器的開發實現了光場在動量空間的高度局域化，使激光光束具有高度的方向性，由此產(chan) 生的高準直激光有望推動超遠距離星際間高速光通信的發展。

在空間維度上，引入表麵等離激元和奇點光場局域機製，使得激光模式體(ti) 積可以突破光學衍射極限，達到小於(yu) (λ/2n)3（其中λ為(wei) 自由空間光波長，n為(wei) 材料的折射率）的尺度，從(cong) 而催生出納米激光器。納米激光器的出現對革新信息技術、研究光與(yu) 物質在極端條件下的相互作用具有深遠意義(yi) 。

3.突破光學衍射極限

在激光發明30餘(yu) 年後，隨著微加工技術的進步，以及對激光物理研究與(yu) 激光器件的深入了解，各類微型半導體(ti) 激光器相繼被開發出來，包括微盤激光器、光子晶體(ti) 缺陷態激光器和納米線激光器。1992年，美國貝爾實驗室成功實現了首個(ge) 微盤激光器，利用微盤中的回音壁模式，讓光在微盤內(nei) 反複反射，產(chan) 生共振反饋並實現激射。1999年，美國加州理工大學通過在二維光子晶體(ti) 中引入點缺陷來約束光，實現了首個(ge) 光子晶體(ti) 缺陷態激光器。2001年，美國加州大學伯克利分校首次利用納米線的端麵作為(wei) 反射鏡，成功實現了半導體(ti) 納米線激光器。這些激光器將特征尺寸降低至單個(ge) 真空波長的量級，然而由於(yu) 光學衍射極限的限製，這些基於(yu) 介電諧振腔的激光器難以進一步縮小。

在幾何學中，直角三角形的直角邊長度小於(yu) 斜邊長度。而在微觀尺度上，要打破衍射極限，則需要兩(liang) 條直角邊的長度大於(yu) 斜邊。2009年，國際上有3個(ge) 團隊首次實現了突破光學衍射極限的等離激元納米激光器。其中，加州大學伯克利分校和北京大學團隊實現了基於(yu) 一維半導體(ti) 納米線—絕緣體(ti) —金屬結構的等離激元納米激光器；荷蘭(lan) 埃因霍芬理工大學和美國亞(ya) 利桑那州立大學團隊開發了基於(yu) 金屬—半導體(ti) —金屬3層平板結構的等離激元納米激光器；美國諾福克州立大學和普渡大學團隊則展示了基於(yu) 局域表麵等離激元共振的金屬核—內(nei) 嵌增益介質殼的核—殼結構等離激元納米激光器。

換言之，等離激元納米激光器通過在色散方程中引入虛數單位，科學家實際上構建了一個(ge) 直角邊的長度大於(yu) 斜邊的特殊三角形。正是這個(ge) 特殊的三角形，允許我們(men) 在物理上實現更強的光場局域化。

經過10餘(yu) 年發展，等離激元納米激光器已展現出極小的模式體(ti) 積、超快的調製速度和低能耗等優(you) 異特性。然而，相較於(yu) 介電材料，雖然等離激元效應將光場與(yu) 金屬中自由電子的集體(ti) 振蕩耦合，實現了更強的光場局域化，但這種耦合也引入了固有的歐姆損耗，導致熱量產(chan) 生，進而增加器件功耗，並限製其相幹時間。

2024年，北京大學團隊提出了一種全新的奇點色散方程，揭示了全介電蝴蝶結納米天線的色散特性。通過將蝴蝶結納米天線嵌入北京大學團隊提出的轉角納腔結構中，首次在介電體(ti) 係中實現了突破光學衍射極限的奇點介電納米激光器。這種結構設計使光場得以極限壓縮，理論上能達到無限小的模式體(ti) 積，遠遠小於(yu) 光學衍射極限。此外，轉角納腔的精巧構造進一步提升了光場的存儲(chu) 能力，使奇點納米激光器具備超高的品質因子，其光腔品質因子（即光腔存儲(chu) 能量與(yu) 每周期損失能量的比值）可超過100萬(wan) 。

北京大學團隊進一步開發了基於(yu) 納米激光器的光頻相控陣技術。他們(men) 通過精準調控激光陣列中各納米激光器的激射波長和相位，成功展示了陣列化相幹激射技術的強大潛力。例如，該團隊利用這一技術實現了以“P”“K”“U”和“中”“國”等圖案生成的光頻陣列化相幹激射，展現了其在集成光子學、微納光源陣列和光通信領域的廣闊應用前景。