近日，浙江大学光电科学与工程学院郭欣副教授与童利民教授团队，基于两根强耦合半导体纳米线缝隙波导基模对光场的超强局域与受激放大，实现了具有亚纳米级约束光场的激光输出。由于该激光器的光场约束来源于缝隙波导界面上束缚电子的相干极化，绕过了表面等离激元光场约束中自由电子极化的“约束-损耗”限制，可将激光器光场约束能力提高至亚纳米级的极端尺度，有希望将光与物质相互作用、纳米激光器、光场局域与调控等相关研究推进到新的空间尺度上。
研究成果以“Photonic Nanolaser with Extreme Optical Field Confinement”为题于6月28日发表在《Physical Review Letters》期刊，被选为当期封面文章。
具有更强光场约束能力的激光是研究更小尺度下光与物质相互作用规律、发展极端尺度光学技术的关键。一般而言，受限于光学衍射，介质光子腔无法将其腔模尺寸约束到远低于真空半波长（λ0/2）的尺度，近年来发展起来的表面等离激元纳米激光器，基于自由电子极化共振，可将激光模场约束至λ0/30的深亚波长尺度。然而，在超越10nm量级（<λ0/50）的场约束尺度上，该类场约束的光频损耗随着约束程度的增加而急剧增加，难以实现有效增益并避免热损坏。另一方面，结构制备所需的纳米级加工精度不易实现。因此，研制具有亚10nm约束光场的纳米激光器至今仍是一个巨大的挑战（图1）。
图1纳米激光器的光场约束尺度
研究团队提出，通过高精度微纳操作，将两根几乎完全相同的具有原子级表面光滑度的半导体单晶纳米线沿着六角截面棱边对准并紧密排列，基于棱边界面上亚纳米级的粗糙度起伏自然形成具有超细中央缝隙波导的耦合纳米线对（CNP）结构（图2，左图），解决了亚纳米精度的结构制备难题。然后，由缝隙波导界面上束缚电子的相干极化提供光场约束，半导体纳米线提供发光及受激放大，绕过表面等离激元的“约束-损耗”限制，产生亚纳米量级（<λ0/1000）的极强约束激光光场。
计算结果表明，由直径170nm的CdSe纳米线组成的1nm缝宽的CNP结构，通过两个纳米线独立模式的强耦合，可以形成一种具有低传输损耗、低激光阈值的类TE0导波模式。在模场中心，基于缝隙两侧束缚电荷的相干极化与共振，产生空间尺度0.3nm的极端约束光场（图2，右图）。作为光子在空间坐标上受到极端约束的动量补偿（测不准关系要求），该模式存在一个大于衍射极限的背景场，强度比中心峰低30dB。同时，由于背景场的存在，腔内光场与自由空间光场的动量失配较小，腔内极端约束光场的输出效率远高于同等约束程度的理想小孔透射场或表面等离激元光场。
图2（左图）CNP结构纳米激光器示意图。（右图）类TE0模电场强度分布计算结果
实验上，团队通过微纳操作将两根CdSe纳米线紧密并排形成CNP结构，利用聚焦离子束加工切平两端端面作为激光腔反射镜（图3）。高分辨透射电镜测量结果表明，纳米线的单晶结构近乎完美，基于表面粗糙度密排的CNP领结型截面的中心缝隙宽度约为1nm。在532nm波长纳秒激光脉冲激发下，从纳米线端面测得中心波长约为710nm的激光输出，其输出偏振、激光阈值、光子二阶相干度等实验测量结果均符合理论预测的类TE0模的激光特性（图4），表明在实验上实现了具有亚纳米级场约束的激光输出。
由于直接测量亚纳米级约束光场的空间分布需要远超现有技术的光学分辨率，为了进一步确认类TE0模的激光证据，团队还测试了一系列不同参数的CNP结构的激光特性，结果表明，激光模式演化规律与理论预测非常吻合。
图3实验制备的CNP结构的电镜照片
图4 CNP激光特性的实验测量结果
该研究基于束缚电子的相干极化与受激放大，首次实现了具有亚纳米级（<λ0/1000）光场约束的纳米激光器。与现有的纳米激光器相比，该激光器在光场约束能力及输出效率等方面具有显著优势。展望未来，基于其极端光场约束能力，该激光器将可用于极小尺度上光与物质相互作用研究，以及发展极高空间分辨率的光学显微成像、原子/分子操控、光学测量、近场光学加工等极端光学技术。
论文共同第一作者为博士生吴昊和杨柳，共同通讯作者为郭欣副教授和童利民教授，合作作者包括王攀研究员、博士生许培臻和龚珏。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等支持。
原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.013902
