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電漿子奈米雷射不需共振腔

公告類型: 奈米新知
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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)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)


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=982
譯者/譯者服務單位:奈米科學網   責任編輯:蔡雅芝 
發布日期: 2014/10/03
發布人員: 王芊樺