美國物理學家組織網報導，近日，科學家宣布開發出了世界上最緊湊的半導體雷射器，該雷射器在室溫下工作在可見光範圍。根據研究人員介紹，該雷射器具有納米粒子的尺寸，僅為310納米（比1毫米小3000倍），可以在室溫下輸出綠色相干雷射。該項研究成果發表在國際頂級期刊《ACS Nano》上。
1960年，美國物理學家西奧多·邁曼（Theodor Maiman）發明了世界上第一臺光量子振蕩器-雷射器，並演示了它的工作原理。60年後的今天，據一國際科研團隊（其中多數研究人員來自俄羅斯聖彼得堡國立信息技術機械與光學大學（ITMO））介紹，他們已在實驗上論證了該世界上最緊湊的半導體雷射器，可以在室溫下工作在可見光範圍。該發明意味著半導體雷射器產生的綠色相干雷射可以很容易地被追蹤，甚至在光學顯微鏡下用肉眼就能夠觀測到。
科學家成功地開發出了工作在可見光範圍綠光波段的納米雷射器，這是納米半導體雷射器領域的一個巨大突破。該項研究的主要成員—ITMO大學物理與工程學院教授謝爾蓋·馬卡羅夫（Sergey Makarov）表示，在當今發光半導體領域，存在「綠光能隙」問題，綠光能隙意味著用於發光二極體的傳統半導體材料的量子效率在光譜的綠光部分急劇下降。這個問題使得利用傳統半導體材料製作室溫納米雷射器變得十分困難。
一個傳統雷射器的實現包括兩個關鍵要素：一種可產生相干受激發射的增益介質和一個能將電磁能長時間限制在其內部的光學諧振腔。該研究團隊選擇了金屬滷化物鈣鈦礦材料作為納米雷射器的材料，該鈣鈦礦材料可以滿足雷射器的這兩個要素，即某種形狀的納米粒子既可以作為增益介質，又可以充當高效光學諧振腔。最終，科學家成功地製作出了一種邊長為310納米的立方體形狀粒子，當該粒子被一束飛秒雷射脈衝激發時，可以在室溫下產生雷射。
該項研究的成員之一，ITMO大學的初級研究員Ekaterina Tiguntseva表示，我們使用飛秒雷射脈衝泵浦納米雷射器，在特定泵浦強度下，當雷射脈衝輻照納米粒子時，直到達到雷射產生閾值為止；之後，納米粒子開始像典型的雷射器一樣工作。我們證明了這種納米雷射器可以在至少一百萬次激發周期內保持正常工作。
所開發的納米雷射器的獨特之處不僅在於它的小尺寸，更重要的是，該納米粒子的新穎設計可以有效囚禁受激發射能量，從而為產生雷射提供足夠高的電磁場放大率。該項研究的成員之一，ITMO大學的初級研究員Kirill Koshelev表示，該設計理念基於雷射產生是一個閾值過程。當用外部特定強度的雷射脈衝泵浦納米粒子時，粒子開始產生雷射發射。如果無法將所激發出的光很好地限制在粒子內部，則不會產生雷射發射。在先前的實驗中，以相同的設計理念，但使用了其他種類材料和系統，結果表明，相干雷射產生可以利用四階或五階米氏共振（Mie resonances），即雷射器光學諧振腔的有效腔長為4倍或5倍材料內部被激發光波長時，共振產生雷射輸出。我們已經證明了本研究納米粒子支持三階Mie共振，這是以前的實驗從未做過的。換言之，當雷射器光學諧振腔的有效腔長等於3倍材料內部被激發光波長時，產生相干激發發射。
值得一提的是，所開發納米雷射器的納米粒子不需要施加外部壓力或運行在非常低的溫度，實驗中所有效應和現象都是在正常大氣壓和室溫下產生的。這項研究對構造光晶片、微傳感器和其他使用光作為信息傳輸和處理媒介的器件（包括用於光學計算機的晶片）具有廣闊的應用前景。工作在可見光範圍的雷射器的好處是，在其他所有特性相同的情況下，它們比紅光和紅外光源體積更小。事實是，小型雷射器的體積大小通常與其輸出光波長呈立方關係，由於綠光的波長比紅外光的波長小3倍，因此，綠光雷射器在小型化方面更具優勢。這項優勢對未來光學計算機系統中超緊湊組件的構造是至關重要的。（國家工業信息安全發展研究中心 鄭發鬆）
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