纳米激光器 突破光刻极限

研究人员已经清除了主要障碍，可以实际应用纳米激光器，这就开辟了一条道路，可以把全新的功能应用于生物传感、计算机，以及光学通信。加州大学伯克利分校（University of California, Berkeley）的一个小组展示了第一台半导体等离子体纳米激光器，或“等离激子激光器”（spaser），这种激光器可以在室温下运行。

热点：蓝光（上）发自第一台半导体“等离激子激光器”（下），这一激光器在室温下运行，而不是运行于低温真空管（cryogenic vacuum）中。这种特殊类型的纳米激光器放大的粒子称为表面等离子体，它可以被限制于比传统的光更小的空间，
来源：麻省理工科技创业

传统的激光器运行是要放大光，等离激子激光器是要放大粒子，这些粒子称为表面等离子体（surface plasmons），它们可以做的事情，光子在普通光波中做不到。例如，光子不能被限制于这样的范围，使它的尺寸远远小于其波长的一半，也就是约 250 纳米，这就限制了这些光学器件微型化的程度。但是，等离子体可以被限制于小得多的空间，然后转换为传统的光波，这就使它们可用于超高分辨率成像或微型光学电路，举例而言，这种电路的运行可能比目前最快的电子电路快100倍。

与伯克利分校机械工程教授张项（Xiang Zhang）一起工作的博士后马仁敏（Ren-Min Ma）和鲁珀特·奥尔顿（Rupert Oulton）设计并演示了这种新的半导体等离激子激光器。它采用金属和半导体，这些很早就被认为是有吸引力的材料，因为它们到处都是，而且有弹性。但是，以前的等离激子激光器用它们制成后，会损失太多能量才能维持激射，否则就会冷却到非常低的温度，低于-250 °C。

“一度有很多批评，认为这种等离子体激光器只能低温运行，”马丁·希尔（Martin Hill）说，他是荷兰埃因霍温科技大学（Technical University of Eindhoven）电气工程教授，就研究纳米激光器。“这是一个有趣的示范，也是迈出了一步，可以制备有用的设备，并鼓励更多的人考察等离子体模式的纳米激光器。”

这个小组的装置包含一片 45 纳米厚、1 微米见方的硫化镉（cadmium sulfide），这片硫化镉是半导体，可用于一些太阳能电池和光敏电阻（photoresistors），以进行微芯片制造。这个方片置于一块 5 纳米的片状氟化镁（magnesium fluoride）上，这些都在一个银片上。商用激光器发出的光线照射金属时，等离子体就生成于表面。但硫化镉方片会把等离子体限制在间隙中，并把它们反射回来，每次它们照射到边缘都会这样。只有不到 5% 的辐射会逸出这种结构，这就实现了持续的表面等离子体激射，或“等离激子激光”，而且是在室温下的。这项研究在线发表在《自然·材料》上，日期是12月19日。

这并不是第一台室温下运行的等离激子激光器。事实上，真正的第一台等离激子激光器是采用染料为基础的材料，也是在室温下工作。但这些材料的激活只能采用光脉冲，就是所谓的光泵（optical pumping），这就限制了它的应用。伯克利分校的研究小组利用光泵演示其激光器，因为“它更容易，”奥尔顿说，但半导体激光器的主要优点是它们可以用电激发（pumped electrically），这是小组的终极目标。“我们需要能够把真实世界的装置插入墙上的插座。这是毫无疑问的，”奥尔顿说。

而希尔感到兴奋的是张项小组的演示，他指出，“电泵动（electrically pumped）装置是技术上更为困难的事情。例如，光子晶体激光器（photonic crystal lasers）就用了很多年，从第一台光泵动激光器（optically pumped laser）一直到电泵动设备的制成。”

《自然·材料》上的这篇文章介绍的只是硫化镉腔中的持续激射，马仁敏说，这可适用的用途有单分子检测，重要性在于高灵敏度的生物和医学测试。研究人员正在努力演示的一种生物传感器就是以这种激光器为基础的，马仁敏说，实用设备可能会在几年内制成。他们还开发了一些方法，用来结合等离激子激光器的光输出，以便它可用于等离子体电路，这种电路适用于光学计算或通信。建立简单的等离子体电路是另一个项目，张项的小组正在做。

这种等离激子激光器其他可能的应用包括用它来聚焦光刻中的光束，这就有可能使制造的微芯片规格小于 20 纳米，这大约就是光学激光器的限度。它也可用于打包更多的数据，刻制到存储介质上，如 DVD 和硬盘上。马仁敏指出，这两种应用都需要增加一个等离子体透镜，以进一步集中光线；这是些别的东西，张项的实验室曾经研发过。

这个小组热心的是，有潜力最终使这种设计商业化，因为它使用的无机半导体在计算和通信中已经是常见的。马仁敏说，这应该是“非常容易”的，就是基于这种设计，把一些设备集成到目前的制造工艺。奥尔顿和希尔两人也都提到，这些材料都非常强大，而且在设备中有很长的使用寿命。

马仁敏和奥尔顿说，乐观地说，原理循证——也就是电注入的等离子体激光器在室温下运行——在一两年内应该是可能的，而商用设备可以迅速跟进。