最近，北京大学物理学院马仁敏研究员与其合作者通过理论分析和系统实验证明了等离激元纳米激光器可以比传统激光器体积更小、速度更快，并具有更低的阈值和功耗；并揭示了等离激元纳米激光器与传统激光器相比存在本质区别，其辐射场可以全部为金属中自由电子振荡形成的表面等离激元形式。相关工作分别被《自然·通讯》和《科学·进展》杂志以标题“Unusual scaling laws for plasmonic nanolasers beyond the diffraction limit”和“Imaging the dark emission of spasers”进行了报道。
激光器的研制加深了人们对光与物质相互作用的认识，并极大地推动了现代科学与技术的发展。自激光器发明以来，其微型化一直是激光领域核心的研究方向之一。其目的是获得更小体积、更高调制速度以及更低功耗的激光器。比如激光在芯片上光互连上的应用就直接要求激光器的特征尺度接近电子器件，并且其功耗要小于成熟的电互联，应约在10飞焦每比特量级。激光器的功耗与其尺度呈正相关的关系，10飞焦每比特量级的功耗直接要求激光器的模式体积要小于约0.02个波长立方。
图1 传统激光器（左）和纳米激光器（右）基本原理示意图
过去40年中激光器的微型化已经取得了巨大的成就，发展出了包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、微盘激光器、光子晶体激光器和纳米线激光器等微型化激光器。然而在这些传统的光学激光器中，增益介质是通过受激辐射放大光子，因而激光器尺寸受光学衍射极限限制，每个维度最小的尺度均要大于半个波长，难以实现微型化（图1左）。
等离激元纳米激光器是一种三维物理尺度可同时远小于出射波长的新型激光器（图1右）。这种纳米激光器与传统的光学激光器不同，它是通过放大金属中自由电子振荡形成的表面等离激元，而非光子，从而可实现深亚波长10纳米量级特征尺度的光场限制。然而纳米激光器中利用等离激元效应所带来的电磁场空间局域化必然伴随着金属吸收损耗。因此，纳米激光器相比传统激光器可否具有性能优势这一问题一直存在争论。
马仁敏研究员与其合作者同过系统优化增益材料、金属材料以及共振腔，使纳米激光器激射阈值降低至10千瓦每平方厘米水平，比目前已报道的最低的纳米激光器阈值低两个量级以上，首次将纳米激光器的阈值降至可商业化激光器的激光阈值水平。他们进一步系统研究了100余组等离激元纳米激光器与100余组无金属限制的对照样品，实验给出了等离激元纳米激光器各关键性能随尺寸变化的规律（Scaling Laws），证明了纳米激光器相较于传统激光器在纳米尺度可以同时具有更小的物理尺寸、更快的调制速度、更低的阈值与功耗（图2）。该工作发表于《自然·通讯》（8，1889，2017）。
图2 等离激元纳米激光器可以比传统光学激光器体积更小（a），功耗更低（b），速度更快（c）
在今年发表于《科学·进展》（3，e1601962，2017）的另一项工作中，马仁敏研究员与合作者采用漏辐射显微成像技术，通过动量匹配的方法将纳米激光器的表面等离激元暗辐射耦合到远场，实现了实空间、动量空间和频谱空间的直接成像，如图3所示。结果表明纳米激光器与传统激光器相比存在本质区别，其辐射场可以全部为金属中自由电子振荡形成的表面等离激元形式。该工作首次揭示了纳米激光器的辐射能量可以百分之百耦合到传播模式的表面等离激元，为对纳米激光器进行进一步操控和应用奠定了基础。
图3 纳米激光器实空间（a）、动量空间（b）和频率空间（c）成像图
北大博士生王所和博士后王兴远为《自然·通讯》论文共同第一作者；北大博士生陈华洲、2011级本科生胡家祺和博士生王所为《科学·进展》论文共同第一作者；主要合作者包括北京大学戴伦教授和英国帝国理工大学Rupert Oulton教授；马仁敏研究员为两篇论文的通讯作者。这两项工作得到了“青年千人”项目、国家自然科学基金委、科技部、人工微结构和介观物理国家重点实验室、量子物质科学协同创新中心等的支持。