高β（β-factor）微型与纳米激光器的物理与应用综述

本文是一篇关于高β微型和纳米激光器（micro- and nanolasers）的综述性文章，明确属于类型b，由以下作者撰写：Hui Deng（University of Michigan），Gian Luca Lippi（Université Côte d’Azur, Institut de Physique de Nice），Jesper Mørk（Technical University of Denmark），Jan Wiersig（Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg），以及 Stephan Reitzenstein（Technische Universität Berlin）。本文发表在 Advanced Optical Materials 杂志上，公开的出版年份为2021年，DOI为10.1002/adom.202100415。

文章主题与综述背景

本文聚焦高β微型与纳米激光器的物理机制、技术进展及其应用前景，涵盖以下内容：

1. 对高β激光器的基础研究，包括物理极限的探索和器件质量的提升。
2. 对当前高β激光器面临的表征与测量挑战的分析。
3. 对双模（bimodal）微型激光器的研究，探索其特有的物理现象与实际应用。
4. 对基于Fano谐振器、拓扑光子学以及二维材料等新兴概念纳米激光器的讨论。
5. 对高β激光器在集成光子学、量子纳米光子学和神经形态计算方面的应用前景展望。

以下为文章的关键观点与核心内容。

主旨概念与文献的学术背景

微型与纳米激光器的科学背景

传统半导体激光器的尺寸缩小到微米及纳米尺度后，光与物质的相互作用强度显著增强。这种增强得益于其谐振腔的模体积减少至与光波长立方值相近的水平，从而引发诸如腔量子电动力学（cQED）效应和Purcell效应。这些机制使得高β激光器在光子学领域内能够实现许多前所未有的功能，例如基于单量子发射体的激光器以及提高的自发辐射控制效能。

高β激光器的概念

高β激光器通过显著提高发射至特定激光模的自发辐射比例（β-factor）来显著降低激光工作阈值。在β接近1的极限情况下（所谓零阈值激光器或“thresholdless laser”），激光器能够实现更高的能效并展现全新的激光物理现象。

文章主要观点与论述

1. 微型与纳米激光器在低光强条件下的行为研究

本文首先讨论了垂直腔面发射激光器（VCSELs）在微观尺度下的行为：

• 使用纤细的腔体模式降低体积，Purcell效应显著提高了β因子。
• 随着激光器缩小到微型和纳米尺度，传统的基于半经典速率方程的激光模型开始失效，因为需要更精细的量子统计模型来解释自发辐射与激光模式的能量耦合。
• β=1的极限状况意味着激光阈值变得无意义，这种情况下的激光输出表现为输入-输出特性的严格线性增长。

支持论据包括：小尺寸系统中噪声的统计分析、高β因子引发的阈值内特性转变，以及动态时间分辨测量方法的进展。

2. 超高β纳米激光器（High-β Nanolasers）的发展与挑战

高β纳米激光器承载着阈值激光研究的“圣杯”目标，其核心讨论内容包括：

• 阈值定义： 早期研究（如Bjork等人）表明即便是“零阈值”激光器也需要有限的泵浦功率来维持模内的光子数，表明β=1激光器并不真正零阈值。
• 实验成果： 包括量子点（QD）微腔和光子晶体腔中实现β>0.8的高β激光。
• 最新进展： 通过将金属与非金属材料结合，实现体积低于光波长立方值的模式限制，如同轴纳米激光器。

观点延展： 高β激光器的光统计表征至关重要，从自发辐射的热光转变为受激辐射的典型单模占优发射，支持实验包括光子自相关函数g^(2)(0)的测量。

3. 双模微型激光器的物理现象及应用

此部分讨论双模激光器中由增益竞争导致的特殊光学现象：

• 输入-输出特性细节： 强模式（“strong mode”）表现出典型“S”型曲线，而弱模式辐射随激励强度饱和并最终衰减。
• 超热光发射（Superthermal Emission）： 弱模式展现出比热光发射更剧烈的光子聚束效应（g^(2)(0) > 2），强烈的模式反关联现象亦被观察。
• 应用潜力： 超热光的双光子性质可能用于热成像、光学相干实验，以及其他高灵敏度光学测量。

4. 新概念纳米激光器的发展

高β微型激光器的研究衍生出更具创新性的器件概念，以下是三种代表性方案：

Fano激光器：

基于Fano共振器实现窄带反射的激光腔，高选择性反射特性使其在信号调制和抗光反馈方面性能卓越。实验显示其具备自发脉冲生成的能力，并预测其调制速率或可达到数百GHz。

拓扑激光器：

从量子霍尔效应拓展至光子学领域，拓扑激光兼具大面积单模发射和对缺陷、结构无序的鲁棒性。实验成功展示了边缘模态激光和角模激光在不同维度拓扑光子结构中的应用。

基于二维材料的纳米激光器：

二维材料提供了极大的灵活性与高增益潜力，如异质双层（hetero-bilayers）结构中产生的激光，表明二维材料不仅是增益媒介，还可能通过莫尔超晶格引发全新量子光学性质。

5. 文章展望与价值

科学意义： 高β激光器的研究不仅为激光物理领域提供了许多开放问题（如单量子发射体激光和零阈值现象）新的探讨视角，还为量子光学、神经形态计算等领域提供了重要的技术支撑。

应用前景： 文章明确指出，高β激光器可能在片上光子学、量子计算和新型光学元件应用中发挥重要价值，特别是在低能耗、高带宽的光学互连等方向具有重要优势。

文章总结与亮点

• 技术亮点： 以自发辐射和模态耦合为中心，实现传统激光模型的深度优化。
• 实验贡献： 通过量子统计理论与先进制备技术证明了多种高能效器件的可行性。
• 学科交叉： 从光子学到量子计算，涵盖材料科学、理论光学及应用技术，是一篇各领域兼容的综述力作。

通过此文献综述，本文全面展示了高β微型激光器的发展现状和技术前沿，对未来的研究与应用具有重要指导意义。