什么是纳米激光器？

纳米激光器，顾名思义，是一种尺寸在纳米级别的激光发射装置。与传统宏观激光器相比，其核心增益区域或谐振腔的物理尺寸被压缩到了纳米尺度（通常至少有一个维度小于光的波长，即数百纳米以下）。这种极致的微型化并非简单的尺寸缩小，它带来了革命性的物理特性变化，主要基于表面等离子体激元或高Q值光学微腔等原理工作。

其核心特点与优势在于：

1. 突破衍射极限：传统光学器件受限于光的衍射极限，难以在亚波长尺度上操控光。而基于表面等离子体激元的纳米激光器能够将光场能量局域在远小于波长的空间内，实现了对光的极端约束。
2. 超小体积与低功耗：纳米尺度的器件体积极小，理论上其阈值功耗可以非常低，为超高集成度光电芯片奠定了基础。
3. 高速调制潜力：由于器件尺寸小，其响应速度有望达到前所未有的高度，适用于未来超高速光通信和信号处理。
4. 与现有半导体工艺兼容：许多纳米激光器结构可以采用成熟的半导体材料与工艺（如III-V族化合物、硅基异质集成）进行制备，有利于大规模、低成本制造。

纳米激光器是连接纳米光子学与电子学的关键桥梁，被广泛认为是未来片上光互连、高密度光存储、生物传感、量子信息处理和超分辨成像等前沿领域的核心光源。

纳米激光器的最新研发动态与报道

全球范围内在纳米激光器领域的研发进展迅猛，主要集中在以下几个方向：

1. 室温连续波（CW）激射与低阈值突破
实现室温下稳定、低阈值的连续波激射是走向实用化的关键。多个研究团队取得重要进展。例如，有报道采用原子级平整的钙钛矿纳米片作为增益介质，结合分布式反馈光栅结构，成功实现了室温连续波激射，阈值极低。另有研究通过优化等离子体纳米腔与增益材料的耦合效率，显著降低了激射所需的泵浦能量。

2. 电泵浦纳米激光器的实用化探索
目前许多纳米激光器演示仍依赖于复杂的光泵浦（用另一束激光激发）。为实现芯片集成，电泵浦（直接通电发光）是必由之路。最新进展包括设计新型金属-半导体-金属（MSM）纳米结构电极，有效注入载流子；以及利用二维材料（如过渡金属硫化物）作为有源层，与纳米等离子体腔结合，展示出电驱动激射的潜力。尽管在效率、稳定性和集成度上仍有挑战，但相关报道显示出清晰的进步轨迹。

3. 新材料体系的引入
钙钛矿材料：因其优异的光电性能和高增益特性，成为构建纳米激光器的热门材料。近期有工作展示了基于钙钛矿纳米线/微晶的单模激光，其颜色可调且制备相对简单。
二维材料：如二硫化钼（MoS₂）、钨硒化物（WSe₂）等，其原子级厚度和强激子效应非常适合构建超薄、柔性纳米激光器。最新报道实现了基于二维材料异质结的激射，为新型量子光源开辟了道路。
* 拓扑光子学结构：将拓扑绝缘体的概念引入光子学，构建拓扑保护的纳米激光腔。这种激光器对制造缺陷和扰动具有鲁棒性，能稳定输出单模激光，是近期的前沿热点，已有实验演示报道。

4. 新功能与新应用拓展
动态可调谐纳米激光：通过施加电场、机械应力或改变温度，实时调节纳米激光器的输出波长（颜色），这对于可重构光子电路和光谱传感至关重要。
生物集成与传感：研发生物相容性好的纳米激光器，可植入细胞内或作为生物标记。其激射光谱对周围介质的折射率极其敏感，可用于探测单个生物分子或监测细胞内环境变化，相关概念验证实验已见诸报道。
* 面向片上光互连的阵列化集成：如何将多个纳米激光器高效、可控地集成到硅基芯片上，并与波导、调制器、探测器协同工作，是研发重点。近期有团队展示了在硅晶圆上异质集成纳米激光器阵列的初步成果。

与展望

纳米激光器的研究正从原理验证快速走向性能优化与系统集成。其最新进展紧密围绕降低阈值、实现电驱动、探索新材料、赋予新功能四大主线展开。作为光电技术研发皇冠上的明珠，纳米激光器的成熟将彻底改变信息处理、传感和显示的格局。未来的挑战在于进一步提升电泵浦效率与寿命，实现与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的无缝、大规模集成，并挖掘其在量子技术等全新领域的应用潜力。可以预见，这颗微观世界的‘火炬’，必将照亮下一代光电融合芯片的未来之路。