ナノレーザー

従来のレーザーと同様に、ナノレーザーもアインシュタインが提唱した誘導放出に基づいています。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}ナノレーザーと従来のレーザーの主な違いは、光の閉じ込めです。共振器またはキャビティは、特定の周波数と方向を持つ光を優先的に増幅し、他の光を抑制することで光の閉じ込めを実現する上で重要な役割を果たします。従来のレーザーでは、 2 つの平行な反射ミラーを備えたファブリ・ペロー共振器が使用されます。ナノワイヤの場合、 ^{ファブリ・ペロー共振器の場合のように 2 つの平行ミラーではなく、散乱体として機能するナノワイヤの両端がナノワイヤレーザーのフィードバック機構を提供することが示されました [ 15 ]}。この場合、光は最大でその波長の半分に閉じ込められ、この限界は光の回折限界とみなされます。^{[ 16 ]}光の回折限界に近づくか、あるいはそれを下げる方法の一つは、フォトニックバンドギャップやナノワイヤなどを用いて利得媒体の反射率を向上させることである。回折限界を超えるもう一つの効果的な方法は、光をナノ構造金属の表面プラズモンに変換し、キャビティ内で増幅することである。 ^{[ 14 ] [ 17 ]最近、パリティ時間対称性[ 18 ]} 、フォトニックトポロジカル絶縁体^{[ 19 ] [ 20 ]}、連続体中の束縛状態^{[ 21 ]}など、ナノレーザーの強い光閉じ込めの新しいメカニズムが提案されている。

従来のレーザーと比較して、ナノレーザーは独特の特性と能力を示します。ナノレーザーの最大の利点は、エネルギー効率の向上、レーザー発振閾値の低下、および高速変調を実現するための超小型の物理的体積です。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}

マイクロディスクレーザーは、量子井戸構造が組み込まれたディスクで構成される非常に小さなレーザーです。その寸法はマイクロスケールまたはナノスケールで存在できます。マイクロディスクレーザーは、ウィスパリングギャラリーモード共振器を使用します。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 26 ]}共振器内の光はディスクの周囲を伝搬し、光子の全反射により、強い光閉じ込めと高い品質係数が得られます。これは、マイクロ共振器が共振器に結合された光子のエネルギーを蓄積する強力な能力を持つことを意味します。

フォトニック結晶レーザーは、屈折率の異なる周期的な誘電体構造を利用し、フォトニック結晶マイクロキャビティを使用することで光を閉じ込めることができます。誘電体材料には規則的な空間分布があります。周期構造に欠陥があると、2次元または3次元のフォトニック結晶構造は、回折限界の空間に光を閉じ込め、ファノ共鳴現象を生み出します。これは、レーザーの強い光閉じ込めによる高い品質係数を意味します。フォトニック結晶の基本的な特徴はフォトニックバンドギャップです。つまり、周波数がフォトニックバンドギャップにある光は結晶構造内を伝搬できないため、入射光に対する高い反射率と波長スケールの小さな体積への強い光の閉じ込めが生じます。^{[ 6 ] [ 13 ] [ 27 ]}フォトニック結晶の出現により、フォトニックギャップでの自然放出は完全に抑制されます。しかし、フォトニック結晶の高コストが、フォトニック結晶レーザーの開発と応用の普及を妨げています。

半導体ナノワイヤレーザーは、直径が数ナノメートルから数百ナノメートル、長さが数百ナノメートルから数ミクロンに及ぶ準一次元構造を持つ。ナノワイヤの幅は量子サイズ効果を無視できるほど大きいが、円筒形、長方形、三角形、六角形の断面を持つ高品質の一次元導波路である。準一次元構造とナノワイヤ端での光散乱によって提供される高いフィードバック^{[ 29 ]}により、 優れた光導波路と光閉じ込め能力を持つ。ナノワイヤレーザーは、メカニズム的にはファブリ・ペロー共振器に似ているが、定量反射係数が異なる^{[ 16 ] [ 30 ]。}ナノワイヤの高い反射率とワイヤの平坦な端面は、優れた共振器を構成し、光子はナノワイヤの両端の間に束縛されて光エネルギーをナノワイヤの軸方向に制限し、レーザー生成の条件を満たす。^{[ 8 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}多角形のナノワイヤは、断面にほぼ円形の空洞を形成し、ささやき回廊モードをサポートする。

表面プラズモンに基づくナノレーザーはプラズモニックナノレーザーとして知られており、そのサイズは光の回折限界をはるかに超えています。プラズモニックナノレーザーが3次元でナノスケールである場合、それはスパーザーとも呼ばれ、最小のキャビティサイズとモードサイズを持つことが知られています。プラズモニックナノレーザーの設計は、現在、レーザーの小型化のための最も効果的な技術方法の1つとなっています。^{[ 34 ]}従来のレーザーとは少し異なり、プラズモニックナノレーザーの典型的な構成には、光子を表面プラズモンに変換するエネルギー伝達プロセスが含まれます。 ^{[ 10 ]}プラズモニックナノレーザーまたはスパーザーでは、励起子はもはや光子ではなく、表面プラズモンポラリトンです。表面プラズモンは、外部電磁場の作用下にある金属表面上の自由電子の集団振動です。^{[ 14 ] [ 17 ]}プラズモニックナノレーザーのキャビティモードは、その発現様式に応じて、伝搬表面プラズモンポラリトン（SPP）と非伝搬局在表面プラズモン（LSP）に分類できます。

SPPは金属と媒質の界面に沿って伝搬する電磁波であり、その強度は伝搬界面に垂直な方向に徐々に減衰します。2008年、Oultonは、金属表面上に成長した低反射率の薄い誘電体層と、高屈折率の半導体ナノワイヤを持つ利得層からなるプラズマナノワイヤレーザーを実験的に検証しました。^{[ 12 ]}この構造では、電磁場を金属層から中間ギャップ層に伝達できるため、モードエネルギーが高度に集中し、金属でのエネルギー損失が大幅に減少します。

LSPモードは、金属ナノ粒子（ナノスフィア、ナノロッド、ナノキューブなど）やナノ粒子アレイなど、さまざまな金属ナノ構造に存在します。 ^{[ 34 ]}伝搬表面プラズモンポラリトンとは異なり、局在表面プラズモンは表面に沿って伝搬せず、定常波の形でナノ構造内で前後に振動します。光が金属ナノ粒子の表面に入射すると、イオンに対する表面電荷の実際の変位を引き起こします。電子とイオン間の引力により、電極雲の振動と分極エキシマーからの局所表面の形成が可能になります。 ^{[ 35 ]}電子の振動は、さまざまな金属ナノ粒子の幾何学的境界によって決定されます。その共鳴周波数が入射電磁場と一致すると、局在表面プラズモン共鳴が形成されます。 2009年、米国ノーフォーク州立大学のミハイル・A・ノギノフは、LSPベースのナノレーザーを初めて検証することに成功した。^{[ 11 ]}この論文のナノレーザーは、プラズモンモードを提供するAuコアと、OG-488色素をドープした二酸化ケイ素で構成された利得媒体であった。Auコアの直径は14 nm、シリカ層の厚さは15 nmで、デバイス全体の直径はわずか44 nmであり、当時最小のナノレーザーであった。   

In addition, there have been some new types of nanolasers developed in recent years to approach the diffraction limit. Parity-time symmetry is related to a balance of optical gain and loss in a coupled cavity system. When the gain–loss contrast and coupling constant between two identical, closely located cavities are controlled, the phase transition of lasing modes occurs at an exceptional point.^[36] Bound states in the continuum laser confines light in an open system via the elimination of radiation states through destructive interference between resonant modes.^[13][21] A photonic topological insulator laser is based on topological insulators optical mode, where the topological states is confined within the cavity boundaries and they can be used for the formation of laser.^[37] All of those new types of nanolasers have high quality factor and can achieve cavity size and mode size approaching the diffraction limit of the light.

The intense optical fields of such a laser also enable the enhancement effect in non-linear optics or surface-enhanced-raman-scattering (SERS).^[38] Nanowire nanolasers can be capable of optical detection at the scale of a single molecule with high resolution and ultrafast modulation.

Internet is developing at an extremely high speed with large energy consumption for data communication. The high energy efficiency of nanolasers plays an important role in decreasing energy consumption for future society.^[39][40]

Plasmonic nanolaser sensors have recently been demonstrated that can detect specific molecules in air and be used for optical biosensors. Molecules can modify the surface of metal nanoparticles and impact the surface recombination velocity of gain medium of a plasmonic nanolaser, which contributes to the sensing mechanism of plasmonic nanolasers.^[23][41]