立陶宛和日本合作开发出银纳米激光器

近日据外媒报道，立陶宛考纳斯理工大学（KTU）和日本茨城筑波国立材料科学研究所的研究人员开发出一种基于银纳米立方体的新型纳米激光器。

研究小组表示，虽然这种激光器的尺寸非常小，只能通过功能强大的显微镜才能看到其结构，但潜力巨大。这项发明，未来可应用于早期医疗诊断、数据通信和安全技术，还可能成为研究光与物质相互作用的关键工具。

《纳米地平线》（Nanoscale Horizons）杂志发表的论文《银纳米立方体组装阵列中的激光》（Lasing in an assembled array of silver nanocubes）介绍了这一成果。根据应用的不同，激光器放大和产生光的方式也不同，这决定了辐射的颜色和激光束的质量。论文作者之一Mindaugas Juodėnas博士说：纳米激光器是利用比毫米小一百万倍的结构来产生和放大光的激光器，激光辐射是在极小体积的材料中产生的。

研究团队开发的纳米立方纳米激光示意图
 

镜厅
此类纳米激光器的研究和开发已有一段时间。不过，考纳斯理工大学科学家的版本在制造工艺方面独树一帜。它使用银纳米立方体，这些立方体整齐地排列在一个表面上，并填充了一种光学活性材料。这就形成了放大光线和产生激光效应所需的机制。

“纳米银立方体是极小的单晶银颗粒，具有极佳的光学特性。它是我们开发纳米激光器的重要组成部分。”材料科学研究所研究员Juodėnas说。纳米立方体是用该校在日本的合作伙伴发明的独特工艺合成的，确保了精确的形状和质量。然后，研究人员利用纳米粒子自组装工艺将这些纳米立方体排列成二维结构。在这一过程中，颗粒会从液体介质中自然地排列成预先设计好的模板。

当模板参数与纳米立方体的光学特性相匹配时，就会产生一种称为表面晶格共振的独特现象，从而在光学活性介质中产生高效的光。传统激光器使用镜子来产生这种现象，而KTU研究人员发明的纳米激光器则使用带有纳米颗粒的表面。“当纳米银立方体以周期性模式排列时，光线就会被截留在它们之间。在某种程度上，这个过程让人想起游乐园里的镜子大厅，但在我们的例子中，镜子是纳米立方体，而公园里的游客是光。”Juodėnas说。

这些被截留的光不断累积，直到最后越过受激发射的能量阈值，产生一束具有特定颜色和方向的强光。Juodėnas提醒我们，“激光”一词是“受激辐射光放大”的首字母缩写，即上述过程。

Mindaugas Juodėnas博士

国际资助
通过使用高质量、易生产的纳米材料（如纳米银立方体），激光器运行所需的能量达到了创纪录的低水平，从而使激光器可以大规模生产。“化学合成纳米银立方体的生产量可达数百毫升，其高质量使我们能够使用纳米粒子自组装技术。即使它们的排列并不完美，但它们的特性弥补了这一点。”Juodėnas说。

然而在最初阶段，本应吸引人们兴趣的简单方法却让立陶宛的研究资助机构望而却步。Sigitas Tamulevičius教授说：怀疑论者质疑我们使用的简单方法是否能为工作纳米激光器创造出足够高质量的结构。

KTU材料科学研究所团队坚信他们开发的纳米激光器的质量，因此获得了一家国际组织的资助：经过大量的工作和实验，我们已经证明，如果使用高质量的纳米粒子，即使是不完美的阵列也能产生预期的效果。