小激光器的进展讲解.doc

小激光器的进展 Martin T. Hill and Malte C. Gather 摘要：小型激光器的尺寸或模尺寸接近或小于发射光的波长。近年来，在减少的大小和改善这些设备的性能方面有着明显的进步。这些进展主要是由新材料和谐振腔设计的开创性使用导致的。本文总结了一些必威体育精装版的进展，特别是在金属与等离子激元激光器，小型绝缘激光器的也取得了很大改进，还有新兴的小生物兼容和生物衍生的激光器领域。我们研究了所采用的不同方法，来减少大小，以及它们如何导致在最终的设备，特别是在金属和电介质谐振腔激光器的显着差异。我们还提出了各种形式的小激光器的潜在应用，并指出所要的深入研究。 光子元件的小型化和集成化已经改善了系统，而且开辟了各种新的应用领域，有点类似于电子产品的发展。激光器的小型化具有特别的前景，但也证明了特别具有挑战性。更小的激光片的潜在应用包括光通信和数据处??，从而使数据传输速率超过在电子工业1-3可行的领域。同时激光的持续小型化，可以使这种具有生物相容性和可植入性4,5的激光器在医疗成像和传感等领域开辟了新的路径。同样，三维（3D）显示和先进的全息技术可以从紧凑的相干光源6极大地受益。 1980s7,8，VCSEL（垂直腔面发射激光器）的发明宣告着第一台只有几个发射光波长尺寸大小的微型激光器的诞生。在上世纪90年代，激光器的进一步小型化的措施在微盘激光器9，光子晶体激光器10和自组装纳米激光器证实。尽管这一开创性的工作依靠传统的半导体和由自上而下的光刻模式技术，但是使用新的增益材料如有机半导体12和纳米量子点13使用更多bottom-up的制造激光器方法来和并且提供了额外的可塑性，例如，相对于谐振腔设计和发射波长。由于所有这些激光在电介质的折射率的差异，把激光限制在空腔中，激光的整体大小远大于发射光的波长并且最小可能的光学模的大小是由衍射极限决定。最近，金属基谐振腔结构，使激光器的整体尺寸缩小到小于发射光的波长，光学模式尺寸小于衍射极限14-20。 在过去几十年中激光小型化的进展总结在图1中，从最初的激光概念证明似乎需要10 - 20年，激射，通常在低温下进行，直到获得对设备有用的应用（图1）。实用设备通常需要在室温下连续波(CW)运行，理想的带有直接的电泵，可获得各种类型的激光器合理的长寿命和特定的特性，不能提供。 在这篇综述中，我们讨论的必威体育精装版进展这些激光器的进展，这些比以往更精小的激光器。每种类型的激光使用一个特定的方法，以解决所涉及的根本的挑战，来减少激光器设备的大小。首先，我们测试由每种方法导致的最主要激光特性，并确定它最有力的特性。然后，我们讨论未来的挑战，主要是进一步小型化和获得对商业化有用的设备。 用一个简化的激光模型来说明激光的大小最终局限，利用这些特点以获得小型化的每个激光类型的功能，以及这些功能如何影响设备的特性和最终的小型化的极限。图2展示了一个广义激光谐振腔（在这种情况下，一个法布里–波罗腔）的长度L，端镜反射率R1和R2，谐振在自由空间波长λ0、传播模式的有效折射率n和沿着中心波导的传播损耗α。注意，有效折射率n可能和波导核心指数明显不同，尤其是在下面讨论的电浆子结构中。激光参数是当电场振幅在腔中的任意一点E0返回到其原始值后， 这里，Gm是光学增益（见下）。在方程中的虚指数必须是2π的整数倍，这是空腔长度的必要条件 在这里m是一个整数。可能的最短腔长是半波长(m=1)。方程(1)的振幅分量引出另一个腔长的必要条件L，模态增益Gm必须克服内部吸收损耗的损失αi和腔内镜像往返的损失，由此得出 在限制因子Γ下，光学增益是典型的和有源区材料的材料增益Ga有关，它描述了激光模体积V0与有源区VA体积分数重叠Gm =ΓGa 在没有光学增益和激光的情况下，腔中光子寿命的τP，通常由上述介绍的腔参数或由谐振腔更普遍适用的品质因数Q参数的决定 C是真空中光速。在激光阈值中，模增益因此和相关的光子寿命： 我们不仅假设在腔内光的相速度合群速度是相同的，而且Γ可以从增益介质的重叠部分的模电场能量得出。这两者都是不真实的21,22。当Γ为波导的限制，它可以大于1 21,22，故使模态增益大于物质增益，虽然需要达到阈值的物质增益由于增加的群系数21n可能不会减小。然而，当Γ作为能量限制因子，它总是小于1的21。虽然最小的激光器可能不是基于传播模式，但我们仍然可以分配一个能量约束因素Γ和光子（或等离子）寿命以便于许多关键参数和小型激光器的各种类的概念可以通过简化模型比较和说明。 如何让激光器和电子器件的尺寸兼容？这些电子器件尺寸可能只有几十或几百纳米的大小。考虑到第一激光长度，L的下限由确定的相位限制（方程（2））和模态增益（方程(3)和(4)）决定。由于半导体的高折射率，半导体激光