北京大学物理学院马仁敏研究员与其合作者通过理论分析和系统实验证明了等离激元纳米激光器可以比传统激光器体积更小，速度更快，并具有更低的阈值和功耗。

激光器的研制加深了人们对光与物质相互作用的认识，并极大地推动了现代科学与技术的发展。自激光器发明以来，其微型化一直是激光领域核心的研究方向之一。其目的是获得更小体积、更高调制速度以及更低功耗的激光器。比如，激光在芯片上光互连的应用就直接要求激光器的特征尺度接近电子器件，并且其功耗要小于成熟的电互联，大约在10飞焦每比特量级。激光器的功耗与其尺度呈正相关的关系，10飞焦每比特量级的功耗直接要求激光器的模式体积要小于约0.02个波长立方。

过去四十年中，激光器的微型化已经取得了巨大的成就，发展出了包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、微盘激光器、光子晶体激光器和纳米线激光器等微型化激光器。尤其是垂直腔面发射激光器已经被广泛应用于光纤通信、传感、打印等领域。然而在这些传统的光学激光器中，增益介质是通过受激辐射放大光子，因而激光器尺寸受光学衍射极限限制，每个维度最小的尺度均要大于半个波长，难以实现微型化（如图1左图所示）。

图1 传统激光器（左）和纳米激光器（右）基本原理示意图

等离激元纳米激光器是一种三维物理尺度可同时远小于出射波长的新型激光器（如图1右图所示）。这种纳米激光器与传统的光学激光器不同，它是通过放大金属中自由电子振荡形成的表面等离激元，而非光子，从而可实现深亚波长10纳米量级特征尺度的光场限制。然而纳米激光器中利用等离激元效应所带来的电磁场空间局域化必然伴随着金属吸收损耗。因此，纳米激光器相比于传统激光器可否具有性能优势这一问题一直存在争论。

马仁敏研究员与其合作者通过系统优化增益材料、金属材料以及共振腔，使纳米激光器激射阈值降低至10千瓦每平方厘米水平（如图2所示），比目前已报导的最低的纳米激光器的阈值低两个量级以上。首次将纳米激光器的阈值降至可商业化激光器的激光阈值水平。
 

图2 纳米激光器的激光光谱与原子力显微镜照片(a) 随功率变化的光谱(b)和输入-输出功率曲线(c)

研究人员进一步系统研究了约100余组等离激元纳米激光器与约100余组无金属限制的对照样品（如图3所示），实验给出了等离激元纳米激光器各关键性能随尺寸变化的规律（Scaling Laws），证明了纳米激光器相较于传统激光器在纳米尺度可以同时具有更小的物理尺寸、更快的调制速度、更低的阈值与功耗，并给出了确定的物理机制。实验给出的纳米激光器的模式体积可小至约0.01个波长立方，比无金属限制光学模式激光器小约一个量级；同时其功耗与光学模式激光器不同，可持续随其体积变小；在相同阈值情况下纳米激光器具有明显地更快的辐射速率，显示其具有更快的调制速率（如图4所示）。

图3等离激元纳米激光器(a)与光学模式激光器(b)结构和对应的光场分布

图4等离激元纳米激光器可以比传统光学激光器体积更小 (a)；功耗更低 (b)；速度更快 (c)

相关成果以Unusual scaling laws for plasmonic nanolasers beyond the diffraction limit为题，发表在Nature Communications [8, 1889 (2017)]上，并迅速被Nature Materials以News & Views 形式专题报导，评价该研究成果“are of high importance”，解决了纳米光学领域一个“long-standing question”，为激光器微型化铺平了道路（Nature Materials, Doi:10.1038/nmat5065）。北大博士生王所和博士后王兴远为论文共同第一作者，马仁敏研究员为论文通讯作者；主要合作者包括北京大学戴伦教授和英国帝国理工大学Rupert Oulton教授。这项工作得到了青年人才项目、国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等的支持。

马仁敏研究员实验室主页：http://www.phy.pku.edu.cn/~renminma/

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-01662-6