英國物理學家稍早以金屬-介電材料-金屬波導將特定頻率的光速度降至零，最近他們利用一對這種波導，設計出一種能達到居量反轉(population inversion)又不需共振腔的雷射。此雷射目前雖仍是紙上談兵，但研究人員預期它可望在光通訊及計算上有重要應用。 傳統雷射需要將增益介質置於共振腔中。在自然狀態下，增益介質有較多的電子處於低能階，不過藉由電或光可將部份電子激發至高能階。處於高能階的電子雖然會自發輻射光子而落回基態，但也可能發生激發輻射─即吸收一個光子而放出兩個同相位的光子，進而激發其他原子發射光子，如此便能得到光子具相位同調性的雷射。 雷射改變了現代科技的面貌。奈米級雷射對於發展以晶片為基礎的光路(optical circuit)相當有用，但傳統雷射因為需要共振腔，很難將尺寸縮到比操作波長還小，對光通訊來說，這個尺寸限制約為一微米。 最近，帝國理工學院(Imperial College)的Ortwin Hess等人想出一種新方法來製造無共振腔的次波長雷射。他們設計出層狀金屬-介電材料-金屬波導，導電電子及光在金屬-介電材料介面形成電漿子。這種電漿子波導有兩個頻率很靠近的零波速奇異點(zero-velocity singularities)，其他頻率之外的光會在波導中緩慢前進，因此能與增益介質充份作用。根據該團隊的計算，載子可被此慢光(slow light)脈衝激發至高能階，後衰退至中間態，再衰退至基態並發出光子。零波速奇異點能讓光子困在材料中，進而產生同調激發輻射。不過，光子必須要能離開元件才能產生雷射。 Hess等人在先前的研究中建議讓光穿過包覆層(cladding)產生消散波(evanescent wave)，來激發零波速模。在此研究中，他們倒轉此概念，以消散波協助雷射離開系統。研究人員可藉由改變包覆層的特性及厚度，控制出射光的比例，得到不同強度的雷射光。 雖然目前研究聚焦在利用電漿子交互作用產生同調光，但 Hess相信也可能將電漿子侷限在波導中，以便製造出微型表面電漿子雷射(spaser)。詳見Nature Communications 5, 4972 (2014) 。 |