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) 引入了納米拉塞爾。它們(men) 的設計類似於(yu) 幾十年來普遍使用的基於(yu) 異質結構的傳(chuan) 統半導體(ti) 激光器。不同之處在於(yu) ，納米拉色劑的空腔非常小，這是根發出的光的波長來決(jue) 定。由於(yu) 它們(men) 主要產(chan) 生可見光和紅外光，所以它們(men) 的大小大約是一米的百萬(wan) 分之一。納米材料具有與(yu) 宏觀激光明顯不同的獨特性質。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變得相幹，此外在實際應用中，重要的是要區分納米激光器的兩(liang) 種狀態：具有高電流相幹輸出的真實激光作用和具有低電流非相幹輸出的led樣狀態。來自莫斯科物理與(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) 情況下納米激光器才算真正的激光器。

博科園-科學科普：這項研究發表在《光學快報》上。在不久的將來，納米矽將被整合到集成光學電路中，這是基於(yu) 光子波導的新一代高速互連所必需，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接速度，同時也提高了能源效率。到目前為(wei) 止，這並不是納米拉瑟唯一可能的應用。研究人員已經在開發化學和生物傳(chuan) 感器，隻有百萬(wan) 分之一米大，而機械應力傳(chuan) 感器隻有十億(yi) 分之一米小。納米聚糖還有望用於(yu) 控製包括人類在內(nei) 的生物神經元活動。要使輻射源成為(wei) 合格的激光器，它需要滿足許多要求，其中最主要的是它必須發射相幹輻射。與(yu) 相幹性密切相關(guan) 的一個(ge) 顯著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，輸出輻射主要是自發的，其特性與(yu) 傳(chuan) 統發光二極管(LEDs)的輸出沒有什麽(me) 不同。

Nanolaser測試，圖片：tsarcyanide/MIPT但是一旦達到閾值電流，輻射就會(hui) 變得相幹。在這一點上，傳(chuan) 統的宏觀激光發射光譜縮小，其輸出功率峰值。後一個(ge) 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(圖1A)。許多納米分子篩的行為(wei) 與(yu) 傳(chuan) 統的宏觀分子篩相同，表現出閾值電流。然而，對於(yu) 某些器件，由於(yu) 它沒有特殊的特性，隻是log-log刻度上的一條直線(圖1B中的紅線)，因此不能通過分析輸出功率與(yu) 泵電流曲線來確定激光閾值。這種納米聚糖被稱為(wei) “無閾值”。這就提出了一個(ge) 問題：在什麽(me) 電流下它們(men) 的輻射會(hui) 變得相幹，或者像激光一樣？回答這個(ge) 問題最明顯的方法是測量相幹性。然而，與(yu) 發射光譜和輸出功率不同，相幹性在納米激光器中很難測量因為(wei) 這需要能夠記錄強度波動在萬(wan) 億(yi) 分之一秒(納米激光器內(nei) 部過程發生的時間尺度)的設備。

在給定溫度下，傳(chuan) 統宏觀激光器(a)和典型納米激光器(B)的輸出功率與(yu) 泵浦電流的關(guan) 係。圖片：A.A. Vyshnevyy and D.Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473莫斯科物理技術研究所的Andrey Vyshnevyy和Dmitry Fedyanin找到了一種繞過具有技術挑戰性的直接相幹測量的方法。他們(men) 開發了一種方法，使用主要的激光參數來量化納米激光輻射的相幹性。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(圖1B)。他們(men) 發現，即使是“無閾值”的納米激光器，實際上也有一個(ge) 獨特的閾值電流將LED和激光分開。發射的輻射在閾值電流以下是不相幹的，在閾值電流以上是相幹的。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變窄沒有任何關(guan) 係，而這些都是宏觀激光中激光閾值的特征。圖1B清楚地顯示，即使在輸出特性中看到一個(ge) 明顯的扭結，在更高的電流下也會(hui) 發生向激光狀態的轉變。這是激光科學家們(men) 無法從(cong) 納米激光中期待的。

納米激光器閾值電流與(yu) 器件溫度的關(guan) 係，藍色和綠色曲線很好地近似了紅線所示的準確值。圖片：Andrey A. Vyshnevyy and Dmitry Yu. Fedyanin, DOI: 10.1364/OE.26.033473計算表明，在大多數關(guan) 於(yu) 納米激光器的論文中，激光係統並沒有實現。盡管研究人員在輸出特性上測量了扭結以上的激光，但納米激光器發射是不連貫的，因為(wei) 實際的激光閾值是扭結值以上的數量級。通常，由於(yu) 納米激光器的自熱，根本不可能實現一致的輸出。因此將虛激光閾值與(yu) 實際激光閾值區分開來是非常重要的。盡管相幹性測量和計算都很困難，維什涅夫斯基和費迪亞(ya) 寧提出了一個(ge) 可以應用於(yu) 任何納米激光器的簡單公式。利用這個(ge) 公式和輸出特性，nanolaser工程師現在可以快速測量他們(men) 創建結構的閾值電流(見圖2)。Vyshnevyy和Fedyanin報告的研究結果使我們(men) 能夠提前預測納米激光器的輻射（無論它的設計是什麽(me) ）變得一致的那一點。這將使工程師能夠確定性地開發具有預定特性和保證相幹性的納米激光器。

博科園-科學科普｜研究/來自: 莫斯科物理科學與(yu) 技術學院參考期刊文獻:《Optics Express》DOI: 10.1364/OE.26.033473博科園-傳(chuan) 遞宇宙科學之美