2016十大“新型激光器”盘点

  美国劳伦斯伯克利国家实验室研究员兼加利福尼亚大学伯克利分校化学教授杨培东主持的团队种新的方法，可用于制作纳米尺度的线材以及色彩可调谐的纳米级

  他们借助一种简单的化学浸渍溶剂工艺，研究人员让材料“自我组合”成纳米晶体、板材和线纳米，融入多种其他材料，能够发出明亮和稳定的激光，有望应用于光电子领域，实现数据传输等应用。

  在激光实验中，纳米线材作为激光发生器被置于一块石英基底上，在另外一个激光发生器激发下发出光线。研究人员确认，接受单个脉冲维持的时间极短（仅为1秒钟的10万万亿分之一）的可见紫色激光脉冲激发后，纳米级激光发生器发出的光线亿个周期，显示出极为稳定的性能。

  据杨培东介绍，这是据他所知迄今为止第一个完全以无机材料、即不含碳材料制作的纳米级激光发生器。而且实验表明，这种激光器发出的光线在一些范围内可调谐，包括可见绿光和蓝光等波段。

  可见光通信（VLC）使用未经调制的电磁频谱，且潜在更加节能的特点。VCL也提供了一种结合信息传输与照明和显示技术为一体的技术形式，就比如采用吊顶灯为笔记本电脑提供网络连接，许多这样的VLC应用需要的发光二极管（LED）产生白光。

  阿卜杜拉国王科技大学的研究人员开发出了一种能够迅速由蓝色生成白光的纳米晶体材料。当用一个蓝色激光照射时，纳米晶体发射绿光，而氮化物发射的红光。把这种结果结合在一起，就创造一个温暖的白光。

  研究人员使用一种被称为飞秒瞬态光谱的技术，对材料的光学性质进行了表征。他们可以表明，发生在铯溴化铅纳米晶体的光学过程大约为七纳秒的时间尺度上。这在某种程度上预示着他们能够调节发射频率为491兆赫，可能实现比使用磷要高40倍的速度，即达到二十亿比特每秒的速度传输数据。这种使用这种钙钛矿结构产生的白光激光，其质量与目前的LED技术不相上下。

  爱荷华州立大学，丰桥技术科学大学，以及分子科学研究所的研究人员们使用了190微米厚的具有迷宫磁场范围的磁性石榴石薄膜，首次开发了一种磁光（MO）调Q激光器，并成功生成了几十纳秒的脉冲宽度的光输出。

  这是一个调Q激光器的磁畴运动驱动的第一次演示，也是一个综合的调Q激光器的可能性的第一个证据。该激光装置相比其他报道的可控开关要小两个数量级。

  通过磁性材料的制备，一个高速磁场开关的制造，和一个激光谐振腔的结构，研究者们实现了以前从未有的使用薄石榴石进行的MO 调Q开关。此外，研究人员还发现，该开关不需要大功率电源的操作，如此这种激光器的体积就按预期就能减小很多。

  目前，激光器小型化的热点已经转向了纳米激光器，而等离子激光器又是纳米激光器中体积最小的。但是，如何光子从极小的腔体中发射出来。如何使发射光免于发散，这些难点都阻碍了等离子激光的实际应用。

  此前，库马尔团队的等离子激光器能发射目前最强的太赫兹激光，它可以被用于生物医药、分子谱分析、安检以及天文和大气科学领域。

  然而，太赫兹量子级联激光器同样饱受光束散焦的困扰。库马尔团队发明了一种称为分布式反馈的方法来聚焦波束，借此获得波长为100微米的长波激光。储存激光能量的谐振腔由间距10微米的两块金属板组成，长、宽、高分别为10微米、100微米和1400微米。该系统的太赫兹激光波束宽度只有4度乘4度，是目前波束最窄的太赫兹激光。

  库马尔在该项目上花费了4年的时间，最近他和他的小组成员——电子工程系博士生吴重兆（Chongzhao Wu，音译）、苏迪普·卡纳尔（Sudeep Khanal）和新墨西哥桑迪亚国家实验室纳米集成技术中心的约翰·L·雷诺（John L． Reno）在美国光学协会的《光学》（Optica）期刊发表了文章《极窄波束太赫兹等离子激光器》。

  库马尔团队的分布式反馈技术具有2个特点。首先，将相控阵技术引入激光器是一项显著的技术突破，因为其不同于固体激光器通常使用的反馈控制技术。该技术有助于帮助等离子体激光器，特别是太赫兹量子级联激光器获得窄波束，进而扫清商业化的障碍。

  由包括堪萨斯州立大学的物理研究人员，艺术与科学学院的物理学副教授Brian Washburn和Kristan Corwin在内的一个团队开发了一类新的激光器，这些节能的激光器具有便携性，可以产生那些难以达到的波长的光，并且具有扩展到高功率的潜力。

  该激光器能够在一定程度上帮助科学家测量与遥远的目标之间的距离，确定在大气中存在的某些气体和从太空中发送回来地球的图像。

  新的激光器是基于光纤的，并利用各种分子气体来产生激光。它们不同于传统的大而笨重并有镜子来反射光的玻璃管激光器。这个新型激光器是用一种具有蜂窝结构的空芯光纤来储存气体和传导光线。这种光纤充满了分子气体，如氰化氢或乙炔。另一个激光器用来激发这些气体，使被激发的气体中的一个分子自发发光。然后该气体中的其它分子很快就跟在后面一起发光，由此产生激光。

  通过在硅基片上设计和构造纳米级模式可以限制晶格失配瑕疵，从而使得硅基片砷化镓模式接近零瑕疵，量子点的电子量子限域效应增长使得产生激光成为可能，这是香港科技大学Kei May Lau教授在《应用物理学报》上刊登的一篇报道中指出的。

  这个激光器具有很低阈值，体积足以集成在微处理器中。这类激光器可以在硅片上生长。工作在“回音壁模式”的激光器直径为1μm，被集成在数字芯片上用于通讯。目前，该激光器还需要外部光源的光学泵浦，而电泵浦将成为下一个研究方向。

  在上图中，绿色部分表示模拟的回音壁模式电场分布情况。橙色部分表示激光介质（量子点）的量子显微结构图像。蓝色部分描述的是纳米结构硅衬底上的碟片激光器。