激光的发明极大地推动了现代科学和技术的发展,其中在空间维度实现局域化的微型化激光成为了现代信息技术的基石。文章将从光辐射是由辐射源和其所处的辐射环境共同决定的这一光与物质相互作用基本观点出发,简述激光微型化的相关背景、物理意义、发展脉络,并讨论微型化激光的应用前景。
真空光子态在光辐射中的重要作用与激光微型化
光辐射是由辐射源和其所处的辐射环境共同决定的,对这一光与物质相互作用基本观点的深刻理解推动了现代物理学的发展。从黑体辐射普朗克定律到费米黄金法则,再到珀塞尔效应与腔量子电动力学,真空光子态在其中均扮演了重要角色。
激光微型化:从微波激射器、激光到表面等离激元纳米激光
1954年,J. P. Gordon,H. J. Zeiger和C. H. Townes实现了微波激射器(microwave amplification by stimulated emission of radiation,Maser)。他们利用处于激发态的氨分子作为增益介质,并使用约12 cm长的微波腔提供反馈,实现了波长约为12.56 cm的微波激射。
等离激元效应能否提高激光性能?
等离激元效应通过耦合光场与自由电子振荡可以实现突破光学衍射极限的光场限制,然而其利用的自由电子振荡会伴随着金属吸收损耗。因此,等离激元效应能否在将激光体积变小的同时提高其性能是这一领域所必须回答的核心科学问题。
纳米激光应用
纳米激光可以在频率、空间和时间维度同时局域光场,因而具有小体积、低功耗、高速率、高功率密度等特点,在数据通讯、芯片上光互连、传感探测、生物医疗和超分辨成像等领域具有广泛应用。
总结与展望
激光的微型化之路还将继续,以探索光场局域的极限及相关光与物质相互作用的物理原理。在应用层面上,实现纳米激光驱动的数据通讯和光电集成芯片仍是这一领域核心的研究目标。达成这一目标需要实现室温、电注入纳米激光,并将其与光纤或者片上波导高效耦合。