互动科普

该激光材料用光或电加以“泵激”(pumped)。这一过程使此材料中的电子受到激发而从较低的能级跃迁到较高的能级。当电子返回到较低能级时，它们就产生在两块反射镜之间来回反射的光。来回反射的光子使其它的“激发电子——即处于较高能态上的电子——发射出相同的光子，很象炸响的鞭炮又引燃其它的鞭炮一样。这一链式反应的过程称为受激发射，“激光”(laser)的名称即源于此(“laser是light amplification by stimulated emission of radiation的缩写词)。随着光子数目不断增加，它们就汇入到一束公共的光波中而使其强度不断增大，直到最后从两块反射镜之一射出而形成一个集中的聚焦光束。

但并非所有的光子都加人了这束光波。事实上，除了链式反应以外，许多光子是自发地发射出来的。在一个较大的空间中——对于亚原子粒子来说，典型的激光器空腔的尺寸是极为庞大的——光子可以比较自由地行动。因此，许多这类自行其是的光子确实具有不同的波长，可以向四面八方散射，常常是击中激光器的侧面并从而产生有害的热量，而不是在反射镜之间来回反射。对于某些类型的激光器，一万个光子中只有一个是有用的。

由于存在这一严重的浪费现象，需要有一定的最低能量才能确保受激电子的数量大得足以引起并维持受激发射。这一能量需求类似于把一壶水烧开所需要的最低热量。如果不能克服这一障碍，激光器将不能实现使它工作所必不可少的自维持链式反应。这一障碍是半导体激光器需要较强电流才能工作的原因之所在。(相比之下，硅晶体管的用电则要节省得多。)但是，如果能设法使半导体激光器不再大量挥霍能量，那么它们就可以在许许多多应用场合同半导体电子器件相竞争，包括用于计算机上。

最近，“无能量阈”运行的概念(threshold less operation)已获得许多物理学家的支持。由日本电报电话公司(NTT)基础研究实验室和斯坦福大学的Yoshihisa Yamamoto和大阪大学的Takeshi Kobayashi提出的无能量阈运行要求所有的光子——甚至连那些自发产生的光子——都被用于激光发射这一任务中。在理论上．激光器只需要极少一点能量，几乎像一个特制的水壶只需要一根火柴的热量就能把水烧开一样。研究人员对于这样一种激光器的最佳设计方案存在着不同意见，但他们在下面这个问题上取得了共识——此种激光器的尺寸必须极小(在它所发射的光的波长这一数量级上)，以便它能够利用量子行为。

新一代

无能量阈运行的基础工作是在七十年代后期奠定的，当时东京理工学院的Kenichi Iga和其他研究人员演示了一类完全不同的半导体激光器[参看《科学》1992年3月号J．L. Jewell，J. P. Harbison和A．Scherer所著“微型激光器”一文。]由于这类激光器的尺寸为微米级，因此被通俗地称为微型激光器，它们是广泛用于CD机的半导体二极管激光器的近亲(“二极管指的是在工作时只有单向电流)。

然而，微型激光器同它们的通俗的二极管亲戚之间存在若干根本的区别。二极管的形状像矩形的盒子，它们必须从一块大硅片上切下来，而且它们发出的光是沿纵向从切口边缘射出的.微型激光器是用蚀刻法制出的尺寸更小的圆柱状器件，它们发出的光从顶部射出，与构成激光器的各个圆形半导体材料层垂直。因此，微型激光器产生更加完美的圆形光束。此外，微型激光器是在硅片上以排成阵列的方式制出的，因此可以一次同时制造并检测许多个微型激光器，就像制造计算机芯片的情况一样。相反，二极管激光器通常必须在已经切成了一个一个的激光器后各自单独地进行检测。

或许更重要的一个区别是，微型激光器同时利用了电子和光子的量子性质。这些器件是用“阱”制造的，即只有几个原子厚的一层极薄的半导体。在这样一个极其微小的空间中，电子只能存在于若干离散的(即量子化的)能级上，这些能级之间隔着的是一些禁戒的领域(称为半导体的带隙)。通过把量子阱夹在其它材料之间，研究人员可以捕获电子并迫使电子跃过带隙而发射出所需要的光。

为了发挥正常功能，微型激光器也必须约束光子。为了达到这一目的，工程师们利用了使透明玻璃窗显示出暗淡反射影像的那种效应。这一反射效果的根源在于玻璃的折射率比空气高，也就是说，光穿过玻璃的运动速度比在空气中运动速度慢。当光穿越具有不同折射率的材料之间的界面时，部分光子在界面上被反射。微型激光器的反射镜由交替排列的具有不同折射率的半导体材料层构成(如砷化镓层和砷化铝层)。如果这些半导体层的厚度只有波长的四分之一，那么此结构的几何形状将使微弱的反射能够相互增强。对于砷化镓和砷化铝的耦合，几十对半导体层将反射99%的光，这一性能优于通常在浴室中使用的那种抛光金属镜的性能。

第一批微型激光器已经在光纤通信中获得了大规模的应用。其它用途目前也正在研究之中[。与此同时，目前正在进行的研究工作继续使微型激光器获得改进。最近推出的一种微型激光器是有选择地对某些层进行氧化，这一工艺有助于增加阱区域中激发电子和反射光子的数目，从而使激光器的工作效率提高到50%以上。换言之，激光器能够把一半以上的输入能量转变为输出的激光。这一性能远远超过了半导体二极管激光器的性能，前者的工作效率通常连30%都达不到。

微型激光器还导致了新的一代装置的出现，此类装置进一步利用了电子的量子性质。科学家们现在已制造出了量子线和量子点之类的结构，它们分别把电子约束在一维和零上(量子阱把电子约束在二维上)。此外，在一种名为“量子雪崩激光器”(quantum-cascade laser)的全新器件中，贝尔实验室的研究人员把许多量子阱联接在一起，就象一系列小瀑布首尾相连一样。在这样一种激光器中，返回到较低能态的一个电子不是通过一次大的跃迁越过带隙，而是通过多次较小的跃迁越过带隙，每次跃迁都发射出一个光子，从而增强了发射激光的链式反应。这种新颖的激光器有一个令人振奋的特性：它使工程师能够通过调节量子阱的宽度而改变所发射的光的类型：因此，激光器发射的光子类型将不再由材料的电子带隙(这是自然界赋予材料的一种特性)所决定。

另一个独立然而相关的研究方向则是探索量子-光学性质。为此，研究人员必须把激光器的某些尺寸缩小到比它所发射的光的波长还小的尺度上。在这一微观世界中，光子被限制在某些离散状态上，正如被捕获在量子阱中的电子所受到的类似限制一样．

一根短短的吉他弦

大的激光器发射出各种类型的光子就像一根长的吉他弦被拨动时产生出由一个基频(相当于音调)，和许多泛频组成的声音一样。但是，如果使吉他弦逐渐缩短，音调就越来越高，而泛音的数量则越来越少，直到这一过程进行到由弦材料的厚度和类型所确定的一个极限时为止。

类似地，物理学家们也通过缩小激光器的尺寸来限制光子的状态(即模式)的数目。这一微型化过程的最终极限是激光器发射的光的波长的一半，因为这一尺度是光能够在两块反射镜之间来回反射的最小尺度。在这一最小边界上，光子只有一种可能的状态，相应于激光器的基本光学模式(fundamental optical mode)。由于别无选择，每个光子都只得加入到公共的波中(即加人到基本模式中)，它逐渐增强为最终透过两块反射镜之一射出的光束。换言之，任何一个光子都不会被浪费掉，这样激光器就成了无能量阈的。

在十多年以前进行的若干实验中，我和桑迪亚国家实验室的同事们观察到了这种量子化的光子状态。通过使微型激光器两端的反射镜逐渐靠拢，我们得以把激光器发射的光子的较宽频谱压缩到只有几个光学模式上。我们证明了这些模式出现在其整数倍等于反射镜之间来回距离的波长上，正如一根吉他弦振动时，其固定两端之间可以有四个或五个波长，但不可能有四又六分之一个波长。此外，我们还证实了我们可以通过使反射镜更加靠近——接近半个波长这一极限(约数百纳米而增强这些效应。但是这些装置还不是无能量阈的，甚至最先进的微型激光器——现在或许可以名正言顺地称为纳米激光器——也容许大约一百种光子状态。这种微型激光器对于传统的二极管激光器而言是一个巨大的进步(后者的光子可以选择的状态多达数万种)，但是，要想进人无能量阈这一最终境界，一百种光子状态仍然高得无法接受。

为了达到这一理想境界，研究人员最近开始研究其它的纳米尺度几何结构。一种这样的设计方案是微碟激光器(microdisk laser)，它是贝尔实验室的Richart E．Slusher及其同事们开发出来的。运用先进的蚀刻工艺(类似于制造计算机芯片时使用的光刻技术)，贝尔实验室的研究人员得以刻出了直径只有几微米、厚度只有100纳米的极薄的微碟。这些半导体碟的周围是空气，下面则靠一个微小的底座支撑，使它的外形结构看来像一张微观的圆桌。

由于半导体和空气的折射率相差很大，微碟内产生的光在此结构内反射，沿着它的边缘掠射出去。这一效应类似于瑞利勋爵在一个多世纪前首次描述的“低音廊”声波。这位物理学家解释说，在伦敦圣保罗大教堂的巨大的圆屋顶内，由于音频振动从墙上反射并彼此增强，因此在圆屋顶内相对两侧可以听到对方的谈话声。

微碟的微小尺寸使光子被限制在少数几个状态上(包括我们所需要的基本光学模式)，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波积累起足够多的能量后射出此结构外。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。事实上，这些微碟激光器工作时只需要大约100微安的电流。U形的玻璃结构包绕微环，此结构引导光沿着“U”的两条边以两束平行光的形式从激光器中射出。

这些新颖的装置证明，纳米激光器的大小和形状能够控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。最近研究人员使此项技术更上一层楼，把光子导线缩小到只有五分之一立方微米这一令人惊讶的体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件。

虽然这些新的纳米激光器已经使光子的类型减少到量子水平上，但它们并没有使光子的数目减少到这样的极限上。当光子的数目足够少时，就可以从根本上改变光的行为，使其适合于某些用途。在最近的一项具有里程碑意义的研究工作中，麻省理工学院的研究人员汪明了可以把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子。这一效率高得令人难以置信的装置可以仅靠11个在反射镜之间来回反射的光子工作。物理学家们现在正在研究半导体纳米激光器的这类新颖的量子光学特性。

定期使光停下

纳米激光器的设计还可以有另一种根本不同的方法：建造一个使若干种材料以规则的微小间距交替排列的结构。如果设计得适当，这种周期性的变化将使光在此结构内被反复地反射，从而把光约束住。这一设想被研制出微型激光器的多层反射镜的工程师们所首先利用。这类微型激光器把光约束在一维内，而现在洛杉矶加利福尼亚大学的Eli Yablonovitch，以及美国能源部依阿华州立大学艾姆斯实验室的研究人员则提出了名为光子点阵(photonic lattice)的新结构，从而把这一原理推广到二维和三维。

总的设想是以二十世纪初年由威廉·亨利·布喇格和威廉·劳伦斯·布喇格父子组成的研究小组所观察到的一种现象为基础的。这两位共同获得1915年诺贝尔奖金的英国物理学家研究了射在一块晶体上的X射线的反向散射如何依赖于晶体点阵的周期结构。在他们发现的散射规律中——现在称为“布喇格定律”——这两位科学家指出反射辐射的强度与3个因素有关：X射线的波长、晶体点阵中原子的间距以及X射线的人射角。

将这一知识运用到光学频率上时，研究人员——如格拉斯哥大学的Thomas F．Krauss和Richard M．DeLaRue等人——证明了由两种交替排列的不同材料构成的点阵将以类似的方式使光反向散射。此外，通过使用折射率相差非常大的材料并选择这些材料间适当的周期间隔，研究人员还证明了他们能够调节并扩大该装置反射的光的波长范围，实际上就是建立了一种“光子带隙，它与半导体中电子的禁戒区域相似。

在桑迪亚国家实验室，我和Joel Wendt、Allen Vawter等人通过建造一个由砷化镓柱构成的六边形点阵而制出了这样一种结构。砷化镓六边形点阵的设计方案是由麻省理工学院的John D．Joannopoulos以及其他研究人员提出来的。考虑到砷化镓及其周围空气的不同的折射率，我们确定了为了使这一结构能捕获红外光，砷化镓柱的精确间距应当是多大。

虽然我们证明了把光约束在这一两维阵列中的可行性，但我们还未能把这一结构转化为激光器。为了实现这一目标，一条可能的途径是泵激一个砷化镓柱，使其发射光，然后这一发射出的光将被点阵中的其它砷化镓柱反复反射(实际上就是被约束在点阵内)。这一点阵基本上起着传统激光器中的两块平行反射镜的作用。

利用一种相反的设计方法——即“柱”用空气作成，而它周围的材料却是半导体——麻省理工学院的这些研究人员制出了一种微小的硅桥(470纳米宽，200纳米厚)，沿着它的长度方向有一行蚀刻出的微孔。由于半导体和周围空气的折射率不同，光在穿越此结构时受到约束。

麻省理工学院的科学家们(包括Joanno poulos、Pierre R．Villeneuve和Shanhui Fan)利用计算机模拟来确定这些孔的精确的周期间距以便定义一个适合于约束红外光的一维阵列。此外，这些研究人员还使点阵产生一个“缺陷，也就是使桥的中部附近的两个相邻孔之间的距离稍微大一些。这一不规则的结构在不均匀的间距界定的微小体积内产生出一个基本光学模式。这个“盒子”有朝一日可能会发展成为激光器的空腔，而相邻的孔则起着反射镜的作用。令人惊奇的是，这个盒子的体积只有一立方微米的三十分之一。自那以后，麻省理工学院的研究小组已改进了这个结构，把它制作在一个玻璃基底上，并用实验结果验证了计算机模型。

其它一些研究工作涉及到三维方向上周期地变化的光子点阵。但是，由于微加工技术——例如电子束曝光蚀刻法——更适用于两维的芯片制造图案成形，因此这类结构一直很难制作。然而，从理论上说三维光子点阵将在所有方向上约束光——对无能量阈激光器，这是一个理想的特征。

光学计算机向何处去?

除了能提高效率以外，无能量阈的运行还可以得出速度极快的激光器。由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。换言之，如果只用一根火柴就能把一壶水烧开的话，那么等待一壶水烧开的时间就可以大大缩短。已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关。

这种令人头昏目眩的速度很明显适合于光纤通信。随着这类器件不断地变得越来越快、越来越小并越来越节省能量，其它方面的用途也将涌现出来。无能量阈激光器——由于近来在纳米尺寸结构的制造技术方面取得的进展，这种激光器已明显有可能实现——作为传送、存储并处理信息的元件(也就是光学计算机的不可缺少的基本结构单元)具有巨大的发展潜力。很有讽刺意味的是，在缩小硅晶体管方面取得的成就也使半导体激光器获得了显著的改进，而这些改进有朝一日可能为计算机提供动力并用微光学器件来代替微型电子电路。