Nature Photonics：磁控等离子体激光器

等离子体纳米激光器于2009首次面世，如今已被应用于表面增强拉曼光谱和其他生物传感器中。日前，芬兰的一个研究小组对此项技术进行了进一步改进，发明了一种可控制纳米激光器的磁性开关。文章见：Nature Photonics, doi: 10.1038/s41566-021-00922-8。

阿尔托大学的科学家们用两种金属制成的微型点代替了大多数早期等离子体纳米激光器中使用的贵金属，这两种金属对外部磁场的反应更强。这一新型的控制方式能使片上信号处理过程更优，同时也赋予了拓扑光子学领域新的可能。

图1 通过开关纳米点阵列的磁化控制等离子体激光器的开启（上图）和关闭（下图）。放大图为单个纳米点周围的磁场

纳米激光器的工作原理

阿尔托大学的研究团队在金和绝缘二氧化硅绝缘的基底上制备了几个周期性的纳米点阵列。与传统激光器中所使用的拒磁性的黄金不同，研究人员使用了铂和钴薄层交替制成了直径220纳米，高68纳米的圆柱。（铂是顺磁性物质，而钴具有铁磁性）。方形阵列在x和y方向上的周期性均为590 nm，而矩形阵列在y方向上的周期性为520 ~ 540 nm。

在制造过程中，科学家们将纳米点浸入一种名为IR-140的红外激光染料溶液中。该团队通过用200fs、800纳米的左旋圆偏振或者右旋圆偏振光脉冲激发一个阵列，使其产生受激辐射并输出激光，输出光的峰值波长约为890nm。

“这样制备的等离子体激光器，许多方面都与普通激光器类似。” 阿尔托大学量子动力学组的负责人Päivi Törmä说。“增益介质是阵列附近溶液中的染料分子，而带边则通过提供反馈，组成了‘谐振腔’（这一原理与通常应用于分布式反馈激光器的原理类似）。”

研究人员发现，当他们逆转磁场时，激光的阈值和强度也会随磁化方向而改变。该团队声称，当泵浦能量略高于激光阈值时，可通过这一磁开关将激光强度调节75%-90%，已经相当于一个有效的激光开关。

拓扑光子激光器

在深入研究磁开关对激光的控制之后，该团队还观察到两种相反手性激光模式之间的区别。根据文章中说，这种由时间反转对称被打破（即磁化方向）产生的分裂是“实现拓扑非平凡系统时所必需的”。

多年来，如何实现与凝聚态物理中被称为拓扑绝缘体类似的光子形式，一直是一个热点问题。研究人员认为，拓扑光子学有望实现新型的信号处理方式。以及实现对无序、材料缺陷和外部干扰具有可靠性的其他各类应用。阿尔托大学的研究小组认为，他们的磁控纳米激光器将是研究这种拓扑效应的“振奋人心的平台”。

Törmä说：“我们所观察到的手性模式以及其他手性效应，反映了粒子磁化产生的时间反转对称性破坏的强烈效应；如果将这种对称性破坏与适当的晶格几何结构相结合，可以产生拓扑系统。更重要的是，在我们的工作中发现，阵列结构和相应的晶格模式可以放大预期的磁化效应——这对研究来说意义重大，为将来的拓扑研究奠定了基础。”

Törmä强调：目前他们团队尚未实现非互易激光振荡。非互易性激光发生在当系统的时间反转对称被打破的时刻；然而她说，未来这类纳米激光有潜力观测到非互易性。

应用转化

Törmä及其同事下一步计划建立拓扑光子系统。“未来，将能够使用磁开关控制这类等离子纳米激光器，”她说。“如果能有人进行此方面研究，鉴于此项技术已经实现了片上集成，将有望在几年内实现。”

Törmä说，将这种集成纳米激光器应用于实际的最大障碍是如何在不借助光泵浦的情况下，实现电泵浦。如果能够实现电泵浦，她设想出了这类小型磁性开关激光器的多种潜在用途。“例如，激光能够将模式结构的微小变化放大许多倍，因此可以将等离子体纳米激光器用于传感中。”