纳米激光
阅读：645发布：2020-07-28
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1.在固体纳米激光器中，将作为纳米激光的基体(序材或非序材)制成棒状，两端面抛光成光学平面，并具有很好的平行度。在两端面镀上反射纳米膜，就构成光学谐振腔，也可以另外采用两个反射镜构成光学谐振腔。固体纳米激光器一般采用光泵抽运，泵浦源可以是连续发光的或脉冲式发光的；光源通常是氙灯或高压水银灯。光源另外还可以用半导体光源，包括半导体发光二极管和半导体激光二极管；或者光纤激光器等光源。
下表列出了一些纳米激光的材料及其波长。
2.染料纳米激光器可以利用插入谐振腔内的调谐元件(光栅、棱镜等)改变输出激光的频率。激光抽运的可调谐染料纳米激光器的光束与谐振腔轴形成一个小角度(约3°)。
谐振腔由反射光栅与一个镀有纳米介质膜的反射镜组成。转动光栅就可以改变输出激光的频率。
下表列出某些纳米激光染料的调谐范围(单位：微米)。
纳米染料 大致调谐范围 纳米染料 大致调谐范围 纳米染料 大致调谐范围
甲酚紫 0.64-0.7 若丹明-6G 0.56-0.65 香豆素 0.44-0.49
吖啶红 0.6-0.63 纳荧光素 0.52-0.57 纳水杨酸盐 0.39-0.42
若丹明-B 0.58-0.69 四甲基散形酮 0.44-0.54 POPOP 0.38-0.44+ +
3.半导体纳米激光器是由半导体序材中纳米PN 结(或PN结等)构成的。其中化合物半导体纳米材料：元素周期表第四族元素是共价键，例如金刚石、鍺、硅、硒等。则四族-四族、三族-五族和二族-六族等半导体二元纳米材料化合物具有越来越强的极性共价键；还有半导体三元、四元和多元纳米材料化合物。
3.1利用半导体序材的异质结构造成的能带不连续性和折射率之差，能使半导体纳米激光器在室温下连续工作。半导体序材是构成纳米激光器的核心材料。
3.2半导体纳米激光器通常也采用镓(Ga)、砷(As)、铟(In)、磷(P)和铝(Al)等化合+ +
物的序材或非序材制成的。纳米激光器谐振腔可利用与纳米PN 结平面相互垂直的序材解理面构成法布里-珀罗谐振腔。一端的序材解理面镀上高性能反射膜，另一端的序材解理面作为输出和反射端；用于实现纳米激光震荡。
4.光纤纳米激光器是以纳米光纤本身作为激光介质；其谐振腔由纳米光纤的两个端面粘结腔片或镀上纳米薄膜构成的。它也可以直接在纳米光纤端面上刻写纳米光纤布喇格光栅作为谐振腔。它的腔体结构简单，而且纳米光纤柔软，可在最小曲率半径范围外弯曲盘绕成任意形状。它选择发射波长与纳米光纤吸收特性相匹配的体积小巧模块化的高功率半导体激光器或半导体纳米激光器作为泵浦源；易于实现高效率和高功率。
光纤纳米激光器可分为单层光纤纳米激光器和双层光纤纳米激光器。双层纳米光纤是一种具有特殊结构的纳米光纤。它比单层纳米光纤增加了一个内包层(内包层形状可以为圆形等)，内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯。双层光纤纳米激光器的纤芯中掺杂稀土元素(Yb，Nd，Er，Tm等)；由于内包层包绕在单模纳米纤芯的外围，泵浦光在内包层中发射并多次穿越纳米纤芯被掺杂离子所吸收，从而将泵浦光高效地转换为单模纳米激光。
5.纳米激光材料只有在其生长速度缓慢，周围有自由空间时，才能形成有规则的几何形状；由于纳粒不同，生成条件(熔液的温度、压力、稠度和冷凝的速度等)不同，可形成各种各样的序材。这种技术应具备两个前提条件：一个是应满足序材形成的生长机制；第二是应满足序材形成的工艺参数。
纳米激光材料基本生成技术：某种高纯度材料在含有熔炉的拉序材设备的熔融坩埚中融化；在该材料的温度保持为其熔点(或稍微低一点)的状态时，由拉着该种材料的籽序(可为籽序条、籽序片或籽序块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔融液中的籽序在周围空间温度保持在熔点至非序凝点之间时向上拉起；起先接触籽序上的熔融材料将按照该籽序的纳面和纳面角以及纳胞的纳格形状等首先形成有规则、长程有序排列的序材；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成序材锭。
纳米激光材料外延生成技术：以某种高纯度材料的籽序(籽序条、籽序片或籽序块等)作为序材衬底，让该高纯度材料的原子有规则地排列在序材衬底上，逐步形成一层层具有一定类型、功能、厚度以及较完整结构的序材层。它分为化学气相淀积技术和分子束外延技术。
在纯净的激光序材中适当地掺入微量杂质，可制造各种不同用途、精密度高的纳米激光器件。
纳米激光退火是将纳米激光束聚焦到任何需要退火的材料区域，甚至可以对任何纳米数量级的区域进行退火，能有效地去除材料中纳粒的位错和材料的堆垛层错。
6.原子簇激光序材的制备方法：石墨电弧法等。它可以生成原子簇激光序材和碳纳米管激光序材等。
碳纳米管激光序材主要合成方法：石墨电弧法、激光蒸发法和催化裂解法等。
将活性物质植入碳纳米管中，使其成为生物传感器，可用于检测疑难病症，并用于药物合成工业。
7.激光纳米复合材料最基本制备技术：将高纯度的基质和熔点比基质高的分散相量子粉或纳粒按照需要的比例放在拉序设备的熔融坩埚中融化(温度比基质的熔点高，但比增强体的熔点低)并搅动；在该熔液的温度下降为基质的熔点(或稍微低一点)时，在保持该温度的环境下，由拉着该种复合材料籽晶(可为籽晶条、籽晶片或籽晶块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔液中的籽晶向上拉起；起先接触籽晶上的熔融材料将按照该籽晶的晶面和晶面角以及晶胞的晶格形状等首先形成有规则、长程有序排列的晶体；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成纳米复合材料锭。
常用的纳米激光材料制备方法按工艺过程中基质状态，可分为固相法、液相法和气相法等。通过这些方法可制备出各种具有纳米尺度的金属粉末、氧化物纳米激光序材粉体和碳化物、氮化物等非氧化物纳米激光粉体。此外还有机械混合分散-成型-烧结法、液相分散-成型-烧结法、原位生成-成型-烧结法等。
8.激光复合纳米材料最基本制备技术：将高纯度的基质和熔点比基质高的分散相量子粉或纳粒按照需要的比例放在拉序设备的熔融坩埚中融化(温度比基质的熔点高，但比增强体的熔点低)并搅动；在该熔液的温度下降为基质的熔点(或稍微低一点)时，在保持该温度的环境下，由拉着该种复合材料籽序(可为籽序条、籽序片或籽序块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔液中的籽序向上拉起；起先接触籽序上的熔融材料将按照该籽序的序面和序面角以及序胞的序格形状等首先形成有规则、长程有序排列的序材；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成复合序材锭。
激光复合序材的合成方法还有：离子注入、真空蒸发法、溅射法、等离子体沉积和溶胶凝胶法等。
9.激光序材器件的制备方法：高纯度硅棒在柴可拉斯基式拉序仪中的熔融坩埚融化，由拉着籽序硅的机械装置(例如籽序硅夹持器)在一定温度下非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入熔融硅中的籽序硅向上拉起；起先接触籽序硅上的熔融硅按照该籽序硅的纳格和纳面角等首先形成有规则、长程有序排列的序材硅；然后逐渐形成序材硅锭。
在序材硅生长时，如果在熔融硅中掺入杂质硼(或磷)原子，就可获得P型(或N型)激光序材硅锭，经过切割、研磨、抛光等步骤，获得抛光序材硅片。以该硅片为衬底，在它的上面就可制造纳米激光器件。
数量不少的激光序材硅二极管要在纳米外延片上制造。纳米外延是一种采取化学反应法进行序材生长的技术。在一定条件下，以衬底的序材硅片(或序材硅丝)作为籽序，让原子(如硅原子)有规则地按照该籽序的结构逐渐排列在该衬底上，形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度和完整纳格结构的序材层。外延生长温度比柴可拉斯基式拉序仪中熔融硅的温度低很多。外延生长温度低于硅的熔点约为30％--50％。
还原硅化合物所进行的化学反应，生成的游离态硅原子性质非常活泼，在高温下具有大量的热能。当它落下与衬底序材表面的硅原子进行撞击时，将热能放出，并按照衬底序材硅的原子排列的规律而依次排在其表面上。游离态硅原子源源不断地沉积下来，依照籽序硅的结构整齐地形成序材硅外延层。
外延生长技术还可采用化学气相淀积和分子束外延方法。
10.只要将基于晶体制成的激光器替换为基于序材制成的纳米激光器。则纳米激光器就可以同样应用于现有激光器所应用的一切领域和范围等；例如空间纳米激光通信、纳米激光立体快速成形、纳米激光生物制造、纳米激光快速成形、纳米激光无线通信、纳米激光显示、纳米激光引雷与驱雾、纳米激光测距、纳米激光雷达、纳米激光制导和导航、纳米激光加工、纳米激光核聚变、纳米激光的光电对抗等各个方面。同时纳米激光还在军事中、医学中、能源中、交通中、信息中、通信中和材料中等各个方面发挥巨大作用。纳米激光作为信息传递工具，在光通信、光信息处理与存储、机器人视觉等方面具有极好应用前景。
纳米激光
[0001] 技术领域 本发明涉及纳米技术(Nano technology)、激光技术(Laser technology)、光学技术(Lighttechnology)、电学技术(Electronic technology)和半导体技术(Semiconductor technology)等。
[0002] 纳米激光本身性质可探索和理解物质的结构和运动规律等，纳米激光在基础科学研究中将起重要作用。
[0004] 纳米激光作为一种能量的形式，将应用于对物质的作用，改变物质的属性或对物质进行加工处理等。
[0005] 纳米激光在照明、颜色、照相、电影、电视、光盘、美容和诊治等各个方面将有优异的性能和性价比。
[0006] 背景技术 激光是“辐射的受激发射光放大”(light amplification by stimulated emission ofradiation，Laser.)的縮写。辐射激光的区域通常称为有源区。激光生成的两个必要条件：有源区里产生足够的粒子数反转；具有光学谐振部件，并在有源区里建立起稳定的震荡。它具有四大特征：光的高亮度、光的高方向性、光的高单色性和光的高相干性。这些特性之间不是互相独立的，而是互有联系的。
[0008] 如果处于高能级E2上的电子密度N2大于处于低能级E1上的电子密度N1时，受激辐射过程占主导地位，光波在媒质中运行的强度按指数规律增加，光被放大；这种媒质对应于激光放大器。如果N2小于N1时，光子吸收过程占主导地位，光波经过媒质时，强度按指数规律衰减，光被吸收。
[0009] 每个分子或原子等物质颗粒具有确定的能量，称为该颗粒的一个能级。某个颗粒处于能量最低的微观状态，称为基态E0；处于能量较高的微观状态，称为激发态E2或E3等。其中寿命比较长的激发态为亚稳态。
[0010] 在固体激光器中，起受激辐射作用的激活离子鑲嵌在晶体或非晶体(如一般采用玻璃)之类的固态基体中，其激活离子的密度比气体工作物质的粒子密度大得多。作为基体的晶体或非晶体通常制成棒状，两端面抛光成光学平面，并具有很好的平行度。在两端面镀上反射膜构成光学谐振腔，也可以采用另外的两个反射镜构成谐振腔。固体激光器一般采用光泵抽运，泵浦源可以是连续发光的或脉冲式发光的；光源通常是氙灯或高压水银灯。二极管泵浦(DPSS)具有很高的泵浦功率和可靠性。
[0011] 半导体激光器(Semiconductor Laser)通常采用镓(Ga)、砷(As)、铟(In)、磷(P)和铝(Al)等材料的化合物制成的。激光二极管(Laser Diode，LD)；可分为同质结、异质结和量子阱的三种结构。将非平衡载流子(电子或空穴)注入半导体PN结，可以实现注入激光器。实现载流子反转分布是结型半导体激光器的必要条件；为了获得强相干激光辐射的充要条件；半导体激光器还需要光学谐振腔。
[0012] 激光二极管(LD)通常是由外延生长的有源层和有源层两边的限制层构成，谐振腔通常由晶体的两个解理面构成。当施加正向偏置电压时，由于帯隙差而产生的异质结势垒的存在，使注入到有源层中的电子和空穴不能扩散而被限制在薄的有源层中，可容易实现粒子数反转。即使只有很小的电流通过，微米级的有源层(0.1-0.2微米)中的电子和空穴浓度也较高，用很小的电流就可获得较大的增益。同时窄带隙有源层的折射率比限制层的折射率大，光波向折射率大的区域集中，所以光波也被限制在有源层中。
[0013] 目前半导体激光器泵浦的全固态大功率连续波绿光激光器正在取代结构庞大、效率低的氩离子激光器。
[0014] 1纳米等于10-9米；是长度单位之一。大小介于0.1-100纳米的物质结构颗粒，称为纳米微粒，简称纳粒；它约为原子半径的1倍-1000倍，是一种典型介观系统。纳米是涉及原子和分子层次的科学和技术。
[0015] 颗粒的纳粒尺寸与电子的波长是同一个数量级，电子被局限在一个很小的空间，传输显然会受到限制。
[0016] 扫描隧道显微镜(Scanning tunneling microscope，STM)是用来检测微观形貌的。它具有极高的空间分辨能力，即平行方向的分辨率为0.04纳米，垂直方向的分辨率为0.01纳米。STM的原理是量子隧道效应。其主要构成有：顶部直径约为50-100纳米的极细探针(通常是金属钨制的针尖)、用于三维扫描的三个相互垂直的压电陶瓷(PX、PY、PZ)、以及用于扫描和电流反馈的控制器(Controller)等(图1)。
[0017] STM有两种工作模式：恒电流模式和恒高度模式。它是微观世界的加工工具，可按需要，人工排布原子。利用STM的针尖(即针端原子)对样品原子或分子的吸引力来操纵和移动原子或分子，使它们重新排布。
[0018] 发明内容 本发明任务是揭露纳米物质的本质、提出纳米激光应用技术和制备纳米激光材料等。它涉及纳米激光技术各分支领域，涵盖了物理、化学、生物、能源、材料、信息、控制、计算机、网络、机电、航空航天、汽车、微电子、测量、医药、轻工、军事、制造等各个方面。纳米激光作为一种光能量的形式，对改变物质的属性或者对物质进行加工处理等各方面的应用必将发挥着重要作用；纳米激光的性质可用来探索和理解物质的结构和运动规律等。纳米激光技术对人类物质文明和精神文明的贡献，将是不可估量的。
[0019] 由纳粒构成空间点阵结构的并且在三维空间中至少有一维大尺度线条上的相邻纳粒之间的距离都在纳米尺度范围内的物质，称为纳米物质。该定义与现有“纳米材料”有本质差别。该线条为直线段或曲线段。
[0020] 只有一维大尺度线上的相邻钠粒之间的距离都在纳米尺度范围内的纳米物质，称为量子线(或纳米丝)。
[0021] 只有线性无关的二维大尺度面上的相邻钠粒之间的距离都在纳米尺度范围内的纳米物质，称为量子面(或纳米薄膜)。该面可以是平面段或曲面段。
[0022] 三维大尺度空间的相邻钠粒之间的距离都在纳米尺度范围内的纳米物质，称为量子体(或纳米块体)。
[0023] 直径在0.1-100纳米之间并具有共有化电子的颗粒，称为量子点。无数量子点的集合物，称为纳米粉。
[0024] 纳米物质中至少有一个大尺度方向上的各个相邻纳粒间距，与电子德布罗意波长相当或更小；则纳点(或纳粒)之间周期性的边界条件被改变，必然导致它的光学性能、电学性能和其他的各种性能发生根本变化。这种量子效应是纳米物质与普通物体的本质区别。纳米物质与普通材料相比，不是简单的颗粒之间距离的量变，而是物体的特征发生了质变。当物体变为纳米物质时，呈现出许多奇异的物理和化学特性。这些特性来源于小尺寸效应、表面效应和量子效应。纳米物质很多奇特性质是这几种效应共同作用的结果。
[0025] 纳粒各个外表平面，称为纳面。两个纳面之间的夹角，称为纳面角。两个纳面相交的直线，称为纳棱。
[0026] 纳米物质内部的纳粒之间排列是有序的；在其外形上表现出一定的规则性。纳粒外表为规则平面所包围；它就是纳面。由于生成条件的不同，同一种的纳米物质，其纳面的规则不一定是相同的。纳面的大小和形状受纳米物质生成时外界条件的影响，不是纳米物质的特征因素。纳米物质受内部品质或结构决定而不受外界条件影响的因素是纳面之间的夹角。每一种纳米物质都有一套区别于其他纳米物质的特征性夹角。
[0027] 纳面角守恒定律：属于同一品种的纳米物质，每个纳粒的对应纳面角相等。这是一个普遍的规律。
[0029] 纳米物质中所有纳点的总体，称为该物质的空间点阵。通过这些空间点阵中的纳点，可以作许多不同方向的平行于纳棱的直线族和平行于纳面的平面族。将纳米物质结构的空间点阵用直线族相连接组成的许多空间网格，称为纳格。纳格实质是小的空间点阵；具有明显的几何形状。
[0030] 任意纳米物质的空间拓扑结构，可由纳点沿3个线性无关的纳棱方向，各按一定的距离周期性地平移而构成的。每一次平移的距离，称为该方向上的纳棱周期。不同方向上的纳棱周期一般是不相同的。
[0031] 任何三维纳格都能以某个适当的平行六面体作为基本单元，沿线性无关的3个一维空间作周期性的堆砌而获得。这种周期性重复的几何单元称为纳元。纳米物质中纳元选取是任意的；有实际意义选法有两种：
[0032] 一种是纳米物质中具有最小周期性重复的纳元，称为原胞。即它包含的原子、离子、分子或簇粒最少。
[0033] 另一种是能够最大限度反映纳格对称性质的最小单元，称为纳胞。它各个边的实际长度称为纳格常数。纳胞实质是从纳格中选取的一个能够完全反映纳格特征的最小几何单元。纳胞以其棱边的长度和夹角表示。
[0034] 原胞中只包含一个原子的纳格，称为简式纳格；包含一个以上原子(或离子)的纳格，称为复式纳格。
[0035] 内部结构完全规则的纳米物质，称为完整纳材(或理想纳材)。纳米物质实际上存在或多或少的不规则性，形成了长程有序中的极少量的无序成分。纳米物质内部的微量纳粒偏离规则排列的不完整性区域，称为纳米物质缺陷。纳米物质缺陷非常少，最多占1/1000.采用一些特殊方法可制造出几乎不含缺陷的完整纳材。按照几何特征，纳米物质的缺陷分为“点”缺陷、“线”缺陷和“面”缺陷。它对纳米物质的性能影响很大。外来惨进的杂质就是一种缺陷；硅纳米物质被控制性掺入适当的微量碳元素，就成为优异半导体。
[0036] “点”缺陷：三个线性无关方向的尺寸都是纳米级的，相当于原子的尺度；如空位、间隙或置换原子。
[0037] “线”缺陷：两个线性无关方向的尺寸都是纳米级的，另一个线性无关方向的尺寸相对很大；如位错。
[0038] “面”缺陷：一个方向的尺寸是纳米级的，另外两个线性无关方向的尺寸相对很大；如纳界、亚纳界。
[0039] 纳粒是单个原子、离子、分子或由它们组成的微粒。固体纳米物质分为有序(序态)与无序(非序态)。
[0040] 纳粒含有数种原子和离子结构时的基本单元，称为基元。该纳粒的拓扑结点既可以代表基元的重心，也可以代表各基元中任意等同点。若纳粒是由完全相同的一种原子所组成，结点是该原子(或基元)重心。
[0041] 纳粒在小尺度范围作有规则周期性长程有序排列的纳米物质，称为小序排列的纳米物质，简称为序料。
[0042] 纳粒的空间排列没有周期性或无规则结合的纳米物质，称为无序排列的纳米物质，简称非序材。
[0043] 序料是长程有序的，具有平移对称性；非序材是平移对称性破缺，失去长程有序。这是它们基本区别。
[0044] 纳米物质并非单纯物体颗粒尺寸微小，关键是至少有一维大尺度上的有序或无序排列的每个纳粒相邻之间距离属于纳米数量级。这是纳米物质具有特殊功能的本质。“纳米物质”含义表示它与其他物质相比较，具有显著不同的优良物理或化学性质。它涵盖物理、化学、机电、生物、机械、汽车、能源、材料、测量、半导体、纳米电子、控制、计算机、信息、网络、医药、纺织、军事、制造和航空航天等各个方面的应用。
[0045] 结构相同的物体中任意一个纳粒的最近邻、等距离的纳粒数目，称为物体配位数。它小于或等于12.
[0046] 结构相同的物体中纳胞包含的纳粒所占体积与纳胞体积之比，称为物体致密度。它小于或等于0.74.
[0047] 各个纳粒在整个物质空间点阵中大尺度方向是长程有序排列的纳米物质，称为纯有序纳材，简称序材。
[0048] 由许多无规则地排列的小尺度空间序料组成的纳米物质，称为混序材。其中小块序料，也简称为序料。
[0049] 纳粒是指粒径小于100纳米的颗粒；大于100纳米颗粒，称为粉末；小于2纳米颗粒，也称为原子簇。
[0051] 序材的有序性表现在3个方面：序材的拓扑结构中各个三维纳格的相对应的纳棱和纳角相同；每个纳粒的近邻纳粒数(物体配位数)相同；每个纳粒排列的几何位置(微粒之间的间距、方位角等)是有序的。
[0052] 晶体与序材的根本区别是：晶体结构中存在着微米数量级尺度的各种裂隙或缺陷，且这些裂隙或缺陷使得晶体中不存在它具有的每个大尺度方向上的基本结构单元(基元)相邻之间距离全部都小于100纳米。
[0053] 多晶体与混序材的根本区别是：多晶体结构中存在微米数量级尺度的各种裂隙或缺陷，并且这些裂隙或缺陷使得该多晶体中不存在它具有的每个大尺度方向上的基元相邻之间的距离都小于100纳米。
[0054] 非晶体与非序材的区别是：非晶体结构中存在微米数量级尺度的各种裂隙或缺陷，并且这些裂隙或缺陷使得该非晶体中不存在它具有的每个大尺度方向的基本结构单元(基元)相邻之间距离都小于100纳米。
[0055] 晶体不是神秘的物质结构的新形态-“第三态”。它性质不同于序材是由于其结构；它是一种普通物质。
[0056] 由不少于一种的不同或同种的半导体序材的N型和P型极薄层交替排列组成的周期阵列，称为超纳格。
[0057] 如果一个纳米物质中相邻纳粒的左右、前后、上下(X、Y、Z)三个方向的大尺度线段都是纳米数量级，则该“零维”的纳粒内的电子只要具备一定的能量，电子就可以进入或逸出纳粒，这就称为“隧穿效应”。它会产生电导波动和局域化。它与微电子体系不同；其电子不能吸收连续的能量，只能吸收分立的能量。
[0058] 电子隧穿的条件就是电子的能量eU必须大于充电能EC。EC可以作为电子在进入(或离开)这个体系时，被前一个同样帯负电荷的电子排斥而感受到的能量，因而EC又被称为“库仑阻塞能”。
[0059] 纳米物质中纳粒的价电子之间是相干的；即某一空间存在一个电子时，就不能同时存在另一个相同的电子；体系中第一个电子注入后，若它未被移去，第二个电子就不能注入。可按时间顺序注入电子。量子面的二维阵列中，电子的传输路径可以取不同的方向，因此出现复杂的行为：两个电子可能复合，也可能相互排斥。这样就会出现电子输运的空间相关和时间相关。即时间序与空间序的相关，是产生信号处理和存储过程新特点。由于时间相关和空间相关，将呈现空间阵列的各向异性，在不同方向有不同的隧穿特性。
[0060] 纳米物质除了具有显著的量子态相干和统计特性之外，其他主要的还有：
[0061] 1)载流子的波动性；在相位相干尺度范围内，不丢失载流子的相位信息。当系统尺寸与特性散射自由程相当时，载流子输运为弹道式的，有明显的干涉、衍射效应。
[0062] 2)信号载流子除了电子-空穴外，还会有孤子、极化子等。孤子是纳格的一种畸变，有中性的也有荷电的，可以携带信号传输。它是集成电路中的一种载流子，其激发能量低于电子/空穴。孤子之间是相干的。
[0063] 3)电导与电压之间存在与时间无关的电导非周期性涨落。它不是热噪声引起的，而是电体系固有的。
[0064] 量子态是每个分子或原子等物质颗粒中电子的微观运动状态。由原子、分子、离子或纳粒等物质颗粒构成序材时，价电子不再属于某个物质颗粒，而是在整个序材内作共有化运动。这导致物质颗粒能级分裂成能带。物质颗粒中不允许存在能量状态的区域，称为禁带(或带隙)。禁带的上方与价电子对应的低能量区域，称为价帯。价帯上方的高能量区域，称为导帯。导帯底的电子能量比价帯顶的电子能量高，它们的差值等于禁带宽度Eg，Eg-11 -8也称为带隙能量。处于激发态的原子平均寿命在10 s-10 s之间，是不稳定的。
[0065] 原子中的电子可以通过与外界交换能量的方式发生能级跃迁。电子跃迁以热能的形式进行能量交换，称为热跃迁。若交换的能量是光能或电能，则称为光跃迁。对于大量原子组成的体系中存在光的自发发射(Spontaneous emission)、受激辐射(Stimulated emission)和受激吸收(Stimulated absorption)。
[0066] 物质不可能通过辐射衰变返回自己的颗粒能级的被激发状态，称为亚稳态。它比物质激发态稳定得多。
[0067] 具有亚稳态的某些物质，称为亚稳态物质(或称为基质)。只有它才会有可能实现粒子数反转并引起光放大，而作为激光的工作物质。它可以是气体、固体或液体。其平均寿-3命可达10 s-1s的数量级。
[0068] 能对亚稳态物质进行激励，完成粒子数反转任务的外界能源，称为泵浦源。它可以是电源或光源等。
[0069] 设E1为基态(能量最低)；E2和E3为激发态(能量较高)。假设E2为亚稳态。泵浦源能将基态E1上的电子抽运到激发态E3上，因而E1上的电子数减少。由于E3态的电子寿命很短，电子将通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2寿命长，其上就积累了大量高能态的粒子。即亚稳态E2的粒子数N2不断增加，导致N2大于基态E1上的粒子数N1，实现亚稳态与基态之间粒子数的反转(图2)。
[0070] 设p(v)为频率v的入射光能量密度，N1为处于低能态的粒子数密度，N2为处于高能态的粒子数密度，(d N21/dt)自为单位时间内从能态E2回到能态E1的粒子数密度(也是单位时间内自发发射的光子数密度)；
[0071] (d N21/dt)自＝A21 N2 (1)
[0072] 其中A21为自发发射系数，表示一个粒子在单位时间内从高能态自发地返回低能态的概率。
[0073] (d N21/dt)受为单位时间内从能态E2回到能态E1的粒子数密度(也是单位时间内受激辐射的光子数密度)；
[0074] (d N21/dt)受＝B21 p(v)N2 (2)
[0075] 其中B21 p(v)为受激辐射系数，表示一个粒子在单位时间内从高能态吸收光子跃迁到低能态的概率。
[0076] (d N12/dt)吸为单位时间内从能态E1跃迁到能态E2的粒子数密度(也是单位时间内吸收的光子数密度)；
[0077] (d N12/dt)吸＝B12 p(v)N1 (3)
[0078] 其中B12 p(v)为吸收辐射系数，表示一个粒子在单位时间内从低能态吸收光子跃迁到高有态的概率。
[0079] 若亚稳态物质的基态能级为E0；粒子数反转的下能级E1(E1＞E0)不在基态，而在激发态。由于激发态E1的粒子数本来很少，只要亚稳态E2上稍有粒子积累，就较容易实现E1和E2之间的粒子数反转(图3)。
[0080] 粒子数反转必须有内部因素亚稳态和外部因素泵浦源。粒子中电子输运必定是循环往返的非平衡过程。
[0081] 一种亚稳态物质可能有几对特定能级间的粒子数反转，相应地发出几种波长的激光。
[0082] 亚稳态物质引起受激辐射的光子是自发产生的。它的相位、偏振方向、传播方向等都是杂乱无章的。其放大后的受激辐射总体上也是随机的、无规则的。选取有固定传播方向和固定频率的一种光子进行放大并抑制和丢弃其他的光子，可获得具有方向性和单色性的强光(激光)。在亚稳态物质的两端分别安装的反射镜面及其形成的空间，称为激光谐振腔，简称谐振腔。这对反射镜面之一是全反射镜，它的反射率尽量 接近1；另一个反射面作为激光输出，是部分反射、部分透射的半反射镜，但其反射率也很高。它使光束在亚稳态物质中反复放大，保证激光的高亮度。通过改变谐振腔参数，可提高激光方向性、单色性和功率等。
[0083] 研究和阐述由纳米物质实现激光的性质及其内在联系和客观规律等的理论基础科学，称为纳米激光学。
[0084] 将纳米激光学的原理和规律应用于各行各业的技术，称为纳米激光技术。遵循量子力学规律的激光系统，称为纳米激光系统。利用纳米和激光技术制造的纳米激光物质器件，称为纳米激光器件。
[0085] 纳米激光物质的大尺度方向纳粒之间距离足够小，呈量子化效应，故宏观的电荷数和能量是量子化的。
[0086] 现有激光材料中颗粒之间的距离不是处处足够小，没有量子化效应，故宏观的电荷数和能量是连续的。
[0087] 纳米物质以两种不同方式固化：序材态和非序材态。其本质区别：纳粒的排列是远程有序或远程无序。
[0090] 在熔液中的微小范围内，存在着紧密接触并规则排列的纳粒集体，称为短程有序集团。它们处于瞬间出现，瞬间消失，此起彼伏，变化不定的状态之中。短程有序集团在两相熔液中不断变化，称为结构起伏或相起伏。溶液中相起伏的短程有序集团称为序胚。它是序材的胚芽。但熔液内大范围纳粒是无序分布的。
[0091] 熔液形成序材的温度一定要不高于熔点Tm，此时序材固态自由能低于其液态自由能。一方面这两者自由能之差构成了序材凝固的驱动力。另一方面由于序胚构成新的表面，形成表面能；它使系统的自由能升高，是序材凝固的阻力。当温度T等于或略低于熔点Tm时，熔液的体积出现不连续的变化(BC)，析出序材。在没有混序材转变的情况下，序材也是热力学稳定的。固态纳粒的密堆靠近，作用力较大，故序材的膨胀系数通常比其液体小。若温度小于Tm而下降时序材不析出，仍按照与液体相同膨胀系数连续变小，縮小(BE)到呈现完全固态的温度Tg时，膨胀系数突变到与非序材固态的膨胀系数相同。T＜Tg时，形成非序材(图8)。
[0092] Tg不是一个常数，随着冷却速度快慢而在一定范围内变化。与序材相比，非序材的密度较小，且冷却速度越快则其密度越小。非序材完全固化的转变温度Tg，称为非序材的完全凝固温度，简称非序凝点。
[0093] 纳米物质熔液处于其非序凝点与其熔点之间时，称为过冷液态。它虽然是热力学的平衡状态，但是不稳定。过冷液态与稳定液态没有根本性的差别。只是温度越低，粘度越大，纳粒作长距离的运动更困难。从过冷液态转变到另一能量更低的序材总是为一定的势垒U所限制。若熔液具有超越该势垒的能量时，它将转变为序材。若这种势垒U的高度比热运动能量大得足够多，则该转变的几率极小。它就会形成非序材。
[0094] 在Tg附近粘度达到纳粒换位或扩散的几率为零。非序材此时相似于序材，故低于Tg两者膨胀系数相似。
[0095] 熔液的冷却速度不同，则纳粒达到的非序凝点也不同。这是因为慢速冷却时，在较低的温度下纳粒仍会调整其位置，改变其配位环境，故粘度更低并获得更紧凑的结构，因而密度也较大。因此非序材形成条件是冷却速度快和粘度大；它来不及对纳粒进行排序。而熔液冷凝慢、粘度低时，就有充分时间形成序材。
[0096] 在一定温度的过冷液态中，物质固态的自由能低于液态的自由能。若其中出现的序胚体积为V，表面积为S，固态与液态两相单位体积自由能差为ΔGv，单位面积的表面能为σ，则系统自由能的总变化为：
[0097] ΔG＝VΔGv+Sσ (4)
[0098] 设过冷液态中出现一个半径为r的球状序胚，它引起的自由能变化为：
[0099] ΔG＝(4πr3ΔGv)/3+4πr2σ (5)
[0100] 从(5)式得r为某一个临界半径值RK时，ΔGv为极大值。对(5)式微分并令其等于零，得临界半径为：
[0101] RK＝-2σ/ΔGv (6)
[0102] 当序胚r＜RK时，随着序胚尺寸r的增加，系统的自由能增加，序胚成为不稳定的。即序胚瞬时形成，又瞬时消失。当r＞RK时，则随着序胚尺寸的增大，系统的自由能降低，在熔液中序胚可以自发地长大成稳定的并具有某一定尺寸的序材。它不会再消失。当r＝RK时，序胚既可能消失，也可能长大成为稳定的小尺寸序材。单位体积固态和液态两相的自由能之差为极大值时序胚的相当半径，称为临界序料半径(图9)。
[0103] 相当半径为临界序料半径的序胚，称为临界序核。半径大于临界序核的序料，称为序核。只有过冷液态中出现尺寸较大的相起伏才有可能形成序核。熔液中形成序核的过程，称为形核。若熔液各个区域出现新相的序核几率相同，称为均匀形核。形核不断凝聚熔液中纳粒(或原子等)而继续长大过程，称为长大。
[0104] 物质从熔液中序料形成序材必须遵循的规律：首先在高纯度物质的熔液中形成序核(或直接利用固态序核)，通过这些序核不断凝聚熔液中的纳粒并继续缓慢长大，就逐渐成为大尺度的序材。这就是序材定律。
[0105] 经过精确定向的并至少有一维方向是大尺度的固态序核，称为籽序。小条的丝状籽序，称为籽序条；小片的片状籽序，称为籽序片；小块的圆柱状籽序，称为籽序块。
[0106] 光子和亚稳态物质之间的共振作用是激光器发光的物理基础。由于纳米激光器件中相邻纳粒之间距离的极小空间尺度，电子在进入或离开时，会受到原子的库仑力的约束作用。如果某个共有化电子具有与原子外层的电子相同的费密能级时，它们将相互排斥，不能兼容；只有更高分立能级的电子才能进入该纳米激光体系。其电导将显示不同费密能级之间的电子跃迁，并呈量子化的台阶电导率。由于纳粒体系的电容C非常小，库仑阻塞能EC可以远大于热运动能量；它的充电和放电的过程就呈现不连续性；达到量子化。此时电子不能连续地集体传输，这是由于纳粒的能带被分立的能级所代替。这种电子必须一个接一2
个地通过纳粒缝隙，称为单电子隧穿。因此电导率G不是常数，而是h/e 的整数倍。这就是电导的量子化。单电子隧穿和电导量子化是纳米激光材料所具有的特性和应用的基础。
个地通过纳粒缝隙，称为单电子隧穿。因此电导率G不是常数，而是h/e 的整数倍。这就是电导的量子化。单电子隧穿和电导量子化是纳米激光材料所具有的特性和应用的基础。
[0108] P(E)＝ε0(xE+x2E2+x3E3+x4E4+...) (7)[0109] 上式中ε0为真空电容率，x为线性极化率。
[0110] 从量子力学的理论得出，在光学领域里(7)式中非线性项与线性项的比值为[0111] x2E2/xE＝E/E原子 (8)[0112] 上式中E为入射光的电场强度；E原子为原子内部的平均电场强度，约为1011V/m。
[0113] (7)式中的二次非线性项用P2表示；它与场强的关系为：P2＝ε0 x2E2(9)[0114] 若角频率为ω的单色光入射到非线性介质上，则场强E＝E0 cos ωt (10)[0115] 代入(9)式，得P2＝ε0 x2(E0 cos ωt)2＝ε0 x2 E02(1+cos 2ωt) (11)[0116] (11)式右边第一项代表“直流”项，即不随时间变化的极化强度。它表示：在介质2
的两个表面分别出现正的和负的面电荷，形成与入射光强的平方E0 成正比的恒定电位差。
这个效应称为光整流。
的两个表面分别出现正的和负的面电荷，形成与入射光强的平方E0 成正比的恒定电位差。
这个效应称为光整流。
[0117] (11)式右边第二项代表频率等于基频2倍的电偶极距，它称为倍频效应(二次光学谐波效应)。
[0118] 如果非线性介质是各向同性的或具有对称中心的序材，则电场反向时，极化强度也反向。P是E的奇函数，级数展开式(7)中的所有偶次项的系数等于零。因此这样的介质不可能产生二次谐波。
[0119] 只有不具有对称中心的序材或晶体才能产生二次谐波。如果只考虑由电场2
引起的二价极化强度P2的大小，将x2理解为二阶有效极化率xeff，则P2＝ε0x eff E0 (12)
引起的二价极化强度P2的大小，将x2理解为二阶有效极化率xeff，则P2＝ε0x eff E0 (12)
[0120] xeff随着序材性质和光在序材内的传播方向而改变。当相位匹配时，基频光与倍频光的传播速度相同，基频光在序材中沿途各点激发的倍频光沿光轴方向从运行到出射面时有相同的相位；因而相互加强得到很好的倍频效果。其转换效率与二阶有效极化率的平方、有源区的序材厚度的平方以及入射光的强度成正比。
[0121] 在各向异性的序材中，由于存在双折射，可以利用两束折射光的折射率不同来补偿色散效应，实现相位匹配。通过这种倍频方法和技术，可实现高光束质量、全固态、小型化、高效率的光纤纳米激光器。
[0122] 纳米激光器通常包含有纳米级厚度的纳米有源层和有源层两边的具有反射功能的纳米薄膜层构成的谐振腔。纳米有源层可以是N型，也可以是P型。当施加正向偏置电压时，电子从N型薄膜层注入到纳米有源层；空穴从P型薄膜层注入到纳米有源层。由于帯隙差而产生的同质结或异质结势垒的存在，使注入到该有源层中的电子和空穴不能扩散而被限制在纳米有源层中，因此载流子极容易在纳米有源层实现粒子数反转。即使只有很小的电子跃迁，纳米级厚度的有源层(5-100纳米)中的电子和空穴浓度也会很高，而且激光震荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度；所以在纳米层中，用很小的电流就可获得很大的增益。另一方面，窄带隙有源层的折射率比纳米薄膜层的折射率大，光波向折射率大的区域集中，所以光波也被限制在有源层中。当有源层中形成反转分布的电子从导帯跃迁到价帯时，与空穴复合发出光子。这些光子在纳米薄膜层之间的有源层往返运行，不断获得光增益。纳米谐振腔中损耗极小，纳米激光的效率就非常高。纳米激光器遵循量子力学原理，与现有的微电子器件在制备和使用方面都有极大的差别。
[0123] 现有各种激光器的体积庞大、效率低，如CO2激光器、YAG激光器和氩离子激光器等。利用透镜可以将纳米激光器发出的光脉冲聚焦到水晶序材上，以取代现有的灯泵固体激光器或半导体泵浦的固体激光器。
[0124] 纳米激光器由于非平衡载流子呈现量子效应，它与现有的激光器相比，具有阀值电流密度低、电光转换效率高、输出功率大等优异特性。通过生长应变量子面，使得生长非激光纳格匹配的外延物质得以实现，拓宽了纳米激光器波长范围。由于纳米激光器的有源区小于100纳米。因此它具有很小阀值电流和电流密度，使器件工作电流降到最小，甚至只有几十个电子移动形成的电流；保证纳米激光器在室温下连续工作。
[0125] 在半导体纳米激光结构中，关键部位是纳米级长度和纳秒级时间的极微细结构；它显示出纳米材料波动力学的量子效应和电子的量子特性；若适当地选取纳米结构参数，就能实现与现有的体材料或双异质结(Double Heterostructure，DH)半导体激光器不同的优良电-光特性。以下纳米物质也称为纳米材料。
[0126] 1.在固体纳米激光器中，起受激辐射作用的激活离子鑲嵌在序材或非序材之类的19 3 22 3
纳米材料基体中，激活离子的密度约为10 个/cm-10 个/cm，比气体工作物质的粒子密度大得多。将作为纳米激光的基体(序材或非序材)制成棒状，两端面抛光成光学平面，并具有很好的平行度。在两端面镀上反射纳米膜，就构成光学谐振腔，也可以另外采用两个反射镜构成光学谐振腔。固体纳米激光器一般采用光泵抽运，泵浦源可以是连续发光的或脉冲式发光的；光源通常是氙灯或高压水银灯。采用纳米二极管泵浦(DPSS)具有很高的泵浦功率和可靠性。光源另外还可以用半导体光源，包括半导体发光二极管(Light EmittingDiode，LED)和半导体激光二极管(Laser Diode，LD)；或者光纤激光器(Optical Fiber LASER)等光源。
纳米材料基体中，激活离子的密度约为10 个/cm-10 个/cm，比气体工作物质的粒子密度大得多。将作为纳米激光的基体(序材或非序材)制成棒状，两端面抛光成光学平面，并具有很好的平行度。在两端面镀上反射纳米膜，就构成光学谐振腔，也可以另外采用两个反射镜构成光学谐振腔。固体纳米激光器一般采用光泵抽运，泵浦源可以是连续发光的或脉冲式发光的；光源通常是氙灯或高压水银灯。采用纳米二极管泵浦(DPSS)具有很高的泵浦功率和可靠性。光源另外还可以用半导体光源，包括半导体发光二极管(Light EmittingDiode，LED)和半导体激光二极管(Laser Diode，LD)；或者光纤激光器(Optical Fiber LASER)等光源。
[0127] 某些序材激光器的空间点阵中掺入极少量的杂质原子时，能产生激光跃迁。例如红宝石纳米激光棒是由掺有万分之一(按质量计)的Cr2O3的人造白宝石(Al2O3)序材制成3+ 3+ 3+ 19 3
的。序材中的Al 被Cr 所取代；Cr 的密度约为1.65×10 个/cm ；激光跃迁的波长λ
3+
＝0.6943微米。在红宝石中，激活离子是Cr 离子。
的。序材中的Al 被Cr 所取代；Cr 的密度约为1.65×10 个/cm ；激光跃迁的波长λ
3+
＝0.6943微米。在红宝石中，激活离子是Cr 离子。
[0128] 掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)序材是一种很有效的纳米激光材料，激光跃迁的波3+
长λ＝1.06微米。它的激活离子是Nd 离子。另外，非序材玻璃、CaF2序材、SrF2序材、CaWO4序材等许多纳米材料也可以作为钕的基质。这些纳米材料或晶体杂质可以是超微粒。
下表列出了一些纳米激光的材料及其波长。
长λ＝1.06微米。它的激活离子是Nd 离子。另外，非序材玻璃、CaF2序材、SrF2序材、CaWO4序材等许多纳米材料也可以作为钕的基质。这些纳米材料或晶体杂质可以是超微粒。
下表列出了一些纳米激光的材料及其波长。
[0129]
[0130] 2.染料纳米激光器是一种以分子作为基本颗粒能级的纳米激光器件。染料纳米激光器的工作物质是纳米染料溶液中的液态纳粒。分子的能级比原子的能级复杂得多。在分子中除了电子的能量外，组成分子的各个原子之间还有相对振动；整个分子还要转动。纳米染料分子的能量也是由这三部分组成，即
[0131] E＝E电子+E振动+E转动 (13)
[0132] 这三部分能量都是量子化的。其中电子能量E电子的量子化间隔最大，约为几电子伏特；振动能量E振动的量子化间隔约为1/10eV；转动能量E转动的量子化间隔最小，比振动能量的量子化间隔还要小两个数量级。
[0133] 纳米染料分子能级图(图4)中，S0是基态，S1和S2是激发态。S0、S1、S2之间的大间隔就是由于电子能量的量子化形成的。S0、S1、S2本身又是由许多密集的振动和转动能级组成的。在分子光谱里，不同能量态之间的跃迁(如S1和S0之间)产生由一簇密集的谱线组成的谱带。
[0134] 绝大部分的分子处于基态的最低的振动、转动能级上。吸收了外来光子后，分子就从这些能级跃迁到S1态的较高的振动、转动能级上(图4中A→b)。分子也有可能从基态跃迁到S2态，再很快地落到S1态上。热平衡时由于频繁的能量交换，在S1态各个振动、转动能级上，分子将重新分布，在极短的时间(约10-11秒)内分子在各能级上分布遵循玻耳兹曼分布定律。大多数被激发的分子无辐射地衰变到S1态的最低的振动、转动能级上(图4中b→B)。这样在B与基态S0的较高的振动、转动能级(图4中a)之间就实现了粒子数反转。当反转达到阀值时，就产生激光。所有纳米染料激光器都是用光泵抽运的，主要要求光泵输出的波段接近染料的吸收峰；其可以用氙灯或氮分子激光器、氩离子激光器等抽运，也可用纳米激光器抽运。
[0135] 染料纳米激光器(图5)中激光跃迁的下能级是S0态的较高的那些振动、转动能级。由于S0态的振动、转动能级有一个分布范围，可以利用插入谐振腔内的调谐元件(光栅、棱镜等)改变输出激光的频率。激光抽运的可调谐染料纳米激光器的光束与谐振腔轴形成一个小角度(约3°)。谐振腔由反射光栅G与一个镀有纳米介质膜的反射镜M组成。转动光栅就可以改变输出激光的频率。谐振腔内不插入一个法布里-珀罗(F-P)标准具时，输出激光的线宽为50微米，插入标准具后，可获得线宽约为1微米的单模激光(图5)。
[0136] 下表列出某些纳米激光染料的调谐范围(单位：微米)。
[0137]纳米染料 大致调谐范围 纳米染料 大致调谐范围 纳米染料 大致调谐范围
甲酚紫 0.64-0.7 若明-6G 0.56-0.65 香豆素 0.44-0.49
吖啶红 0.6-0.63 纳荧光素 0.52-0.57 纳水杨酸盐 0.39-0.42
若丹明-B 0.58-0.69 四甲基散形酮 0.44-0.54 POPOP 0.38-0.44
甲酚紫 0.64-0.7 若明-6G 0.56-0.65 香豆素 0.44-0.49
吖啶红 0.6-0.63 纳荧光素 0.52-0.57 纳水杨酸盐 0.39-0.42
若丹明-B 0.58-0.69 四甲基散形酮 0.44-0.54 POPOP 0.38-0.44
[0138] 3.半导体纳米激光器是由半导体序材中纳米P+N+结(或PN结等)构成的。其中化合物半导体纳米材料：元素周期表第四族元素是共价键，例如金刚石、鍺、硅、硒等。则四族-四族、三族-五族和二族-六族等半导体二元纳米材料化合物具有越来越强的极性共价键；还有半导体三元、四元和多元纳米材料化合物。
[0139] 利用半导体纳米材料的异质结构造成的能带不连续性和折射率之差，能使半导体纳米激光器在室温下连续工作。它应用于光纤通信，将具有极其优异的性能。半导体纳米材料是构成纳米激光器的核心材料。
[0140] 轻拂杂纳米激光二极管是由PN结和两个电极组成的(图6)。其结构基本与激光二极管(LD)一样。纳米激光二极管是由掺杂的半导体序材构成的；而LD是由掺杂的半导体晶体构成的。这是它们之间本质区别。
[0141] 半导体纳米激光器通常也采用镓(Ga)、砷(As)、铟(In)、磷(P)和铝(Al)等化合+ +物的序材或非序材制成的。采用重掺杂的GaAsPN结，用纳米PN 表示。将P-GaAs和N-GaAs+ +
用半导体扩散工艺形成纳米PN 结(图11)；并将非平衡载流子电子/空穴注入该结，可实+ + +
现载流子数反转。这种现象称为载流子注入。在P 区和N 区中载流子浓度极高。P 区费+
密能级EFp处于价帯中；N 区费密能级EFn处于导帯中。它们有统一的费密能级EF＝EFp＝+ +
EFn，载流子处于平衡态，其势垒高度为qVn。当纳米PN 结上加上正向电压V时，使P区和N区的费密能级偏离，并有qV＝EFn-EFp。显然两个费密能级之差加强了载流子的扩散趋势，+ +
使大量的载流子注入PN 结区，形成注入区内载流子数反转分布。
用半导体扩散工艺形成纳米PN 结(图11)；并将非平衡载流子电子/空穴注入该结，可实+ + +
现载流子数反转。这种现象称为载流子注入。在P 区和N 区中载流子浓度极高。P 区费+
密能级EFp处于价帯中；N 区费密能级EFn处于导帯中。它们有统一的费密能级EF＝EFp＝+ +
EFn，载流子处于平衡态，其势垒高度为qVn。当纳米PN 结上加上正向电压V时，使P区和N区的费密能级偏离，并有qV＝EFn-EFp。显然两个费密能级之差加强了载流子的扩散趋势，+ +
使大量的载流子注入PN 结区，形成注入区内载流子数反转分布。
[0142] 注入区内非平衡载流子电子-空穴的复合产生辐射光子。这些光子将引起处于反转分布状态的非平衡载流子产生受激复合而发射受激辐射光子。但实现载流子数反转分布只是结型半导体纳米激光器的必要条件；为了获得强相干纳米激光辐射的充要条件；半导+ +体纳米激光器还需要光学谐振腔。纳米激光器谐振腔可利用与纳米PN 结平面相互垂直的序材解理面构成法布里-珀罗谐振腔。一端的序材解理面镀上高性能反射膜，另一端的序材解理面作为输出和反射端；用于实现纳米激光震荡。辐射纳米激光的区域，称为有源区。
[0143] 3.1同质结纳米激光器是将P-GaAs和N-GaAs紧密结合在一起，形成一个序材PN结以及自建电场。当施加外正向(P区接正极，N区接负极)电压时，该正向电压使PN结自建电场减小(图6)。在非平衡载流子作用下，电子从N区经过PN结向P区扩散；空穴从P区经过PN结向N区扩散；由于载流子注入出现正向电流。纳米激光二极管谐振腔可利用+ +与PN 结平面相互垂直的序材解理面(110面)构成法布里-珀罗谐振腔。一端的解理面(110)镀上高性能反射膜，另一端的解理面(110)作为输出端；实现纳米激光震荡。
[0144] 3.2异质结GaAs半导体纳米激光器是在序材P-GaAs和序材N-GaAs上生成另一重+ +掺杂P-AlxGa1-xAs或N-AlxGa1-xAs序材，形成半导体单异质结GaAs纳米激光器(图12)或+ +
双异质结GaAs纳米激光器(图13)。异质结半导体纳米激光器不是从PN 结区辐射激光；
+ +
而是从P 区辐射激光。P 区厚度约10-2000纳米。
双异质结GaAs纳米激光器(图13)。异质结半导体纳米激光器不是从PN 结区辐射激光；
+ +
而是从P 区辐射激光。P 区厚度约10-2000纳米。
[0145] 由于纳米材料帯隙差而产生的纳米同质结或异质结势垒的存在，使注入到该有源区中的电子和空穴不能扩散而被限制在纳米有源区中，因此载流子极容易在纳米有源区实现粒子数反转。即使只有很小的电子跃迁，在纳米级厚度的有源区(10-100纳米)中的电子和空穴浓度也会很高，而且激光震荡产生的光增益正比于所注入的电子和空穴浓度；所以在纳米层中，用很小的电流就可获得很大的增益。另一方面，窄带隙有源区的折射率比纳米薄膜层的折射率大，光波向折射率大的区域集中，所以光波也被限制在有源区中。当有源区中形成反转分布的电子从导帯跃迁到价帯时，与空穴复合发出光子。异质结可在室温下连续工作。
[0146] 4.光纤纳米激光器是以纳米光纤本身作为激光介质；其谐振腔由纳米光纤的两个端面粘结腔片或镀上纳米薄膜构成的。它也可以直接在纳米光纤端面上刻写纳米光纤布喇格光栅作为谐振腔。它的腔体结构简单，而且纳米光纤柔软，可在最小曲率半径范围外弯曲盘绕成任意形状。它选择发射波长与纳米光纤吸收特性相匹配的体积小巧模块化的高功率半导体激光器或半导体纳米激光器作为泵浦源；易于实现高效率和高功率。因此这种纳米激光器结构简单，体积小，重量轻，使用灵活方便，并且纳米光纤直接输出激光。它将在高精度激光加工、光通信、激光化学、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域获得广泛应用。
[0147] 光纤纳米激光器可分为单层光纤纳米激光器和双层光纤纳米激光器。双层纳米光纤是一种具有特殊结构的纳米光纤。它比单层纳米光纤增加了一个内包层(内包层形状可以为圆形等)，内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯(图7)。双层光纤纳米激光器的纤芯中掺杂稀土元素(Yh，Nd，Er，Tm等)；由于内包层包绕在单模纳米纤芯的外围，泵浦光在内包层中发射并多次穿越纳米纤芯被掺杂离子所吸收，从而将泵浦光高效地转换为单模纳米激光。内包层的尺寸一般都应大于100微米，使得经耦合透镜聚焦后的焦斑为100微米左右的多模泵浦光可以有效地耦合进单模光纤中，并且内包层的数值孔径一般大于0.36毫米，收集泵浦光的能力强，从而可以保证高能泵浦光高效地耦合进入内包层。由于双包层纳米光纤的内包层的横截面尺寸和数值孔径都足够大，半导体纳米激光通过光束整形后，可以高效地耦合进入内包层，通过选择合适的内包层参数和形状，实现高效、高功率激光输出，转换效率可以达到0.7以上。
[0148] 双包层光纤纳米激光器采用细长的掺杂纳米光纤本身作为增益介质，表面积与体积之比很大；至少是现有的固体激光介质的1000倍以上，因此散热性能非常好。另外双包层光纤纳米激光器的泵浦光在内包层波导内传输，功率不扩散，有利于保持高功率密度光泵。这对于上转换纳米激光是十分有利的。通过在纳米纤芯中掺杂不同的稀土离子，可以实现蓝光(掺Tm)、绿光(掺Er)和红光(掺Pr)的激光输出。
[0149] 5.纳米激光材料只有在其生长速度缓慢，周围有自由空间时，才能形成有规则的几何形状；由于纳粒不同，生成条件(熔液的温度、压力、稠度和冷凝的速度等)不同，可形成各种各样的序材。这种技术应具备两个前提条件：一个是应满足纳米材料形成的生长机制；第二是应满足纳米材料形成的工艺参数。
[0150] 材料(包括掺杂物质)经过长时间高温加热后，保持在非序凝点Tg与熔点Tm之间，并对即将凝固的材料进行振动或搅动；一方面依靠外部输入能量促使籽序或序核提前形成，另一方面促使籽序数目增加。用机械方法使装有高温加热后的过冷液体的坩埚振动或変速转动；或进行超声波处理等；均可形成优良序材。
[0152] 纳米激光材料基本生成技术：某种高纯度材料在含有熔炉的拉序材设备的熔融坩埚中融化；在该材料的温度保持为其熔点(或稍微低一点)的状态时，由拉着该种材料的籽序(可为籽序条、籽序片或籽序块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔融液中的籽序在周围空间温度保持在熔点至非序凝点之间时向上拉起；起先接触籽序上的熔融材料将按照该籽序的纳面和纳面角以及纳胞的纳格形状等首先形成有规则、长程有序排列的序材；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成序材锭。
[0153] 纳米激光材料外延生成技术：以某种高纯度材料的籽序(籽序条、籽序片或籽序块等)作为序材衬底，让该高纯度材料的原子有规则地排列在序材衬底上，逐步形成一层层具有一定类型、功能、厚度以及较完整结构的序材层。它分为化学气相淀积(CVD)技术和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)技术。
[0154] 在纯净的激光序材中适当地掺入微量杂质，可制造各种不同用途、精密度高的纳米激光器件。
[0156] 5.1激光量子点(激光序材颗粒)在三个线性无关方向的纳米级尺寸上的电子态都是量子化的。在量子点内的电子的“隧穿效应”，将产生电导波动和局域化。即它限制电子使其具有零维自由度与分立数目的电子和能级。激光量子点具有奇异的特殊性能，流经激光量子点的电流，在量子单元中增加或减少一个或几个电子时，电流变化可达一个或几个数量级。能量比势垒低的电子，也具有一定的几率进入或离开激光量子点。电子吸收一定的能量隧穿势垒，在势垒的另一端必定有一个具有相同能量的空穴。
[0157] 纳米激光材料只有避免热噪声能量超过电子的隧穿能量，激光量子点才出现库仑阻塞和电子隧穿量子效应。这就要求隧道结电容极小及其电阻大于量子电阻；即要求隧道5
结面种极小。如果纳粒的尺寸为10纳米，假定它有10 个原子，实验证明其隧道结的电容为-18
1阿法拉(1aF＝10 F)，在高温下也存在库仑阻塞现象。因此纳粒才有条件成为激光量子点。激光量子点只有纳米级尺寸，所以没有任何一维大尺度方向的相邻纳粒之间的距离处于纳米尺度，称为零维纳米激光材料。例如纳米激光颗粒和纳米激光原子团簇(或纳米激光原子簇)等。由无数个激光量子点集合而成的粉状物体，称为纳米激光粉。
结面种极小。如果纳粒的尺寸为10纳米，假定它有10 个原子，实验证明其隧道结的电容为-18
1阿法拉(1aF＝10 F)，在高温下也存在库仑阻塞现象。因此纳粒才有条件成为激光量子点。激光量子点只有纳米级尺寸，所以没有任何一维大尺度方向的相邻纳粒之间的距离处于纳米尺度，称为零维纳米激光材料。例如纳米激光颗粒和纳米激光原子团簇(或纳米激光原子簇)等。由无数个激光量子点集合而成的粉状物体，称为纳米激光粉。
[0159] 激光序材颗粒与现有的单晶体纳米颗粒相比，具有显著优良特征，是制造激光器件的重要材料之一。
[0160] 半导体的激光量子点必须与基体绝缘。激光量子点通过隧道结和纳米电极或纳米电引线耦合在一起，可制成纳米激光二极管和纳米激光器件。其中激光量子点也称为激光库仑岛(或激光中心岛)。利用电化学方法或半导体纳米加工技术，可生产出具有量子效应的半导体激光纳粒，并能够在纳粒之外生成所需要的绝缘层，形成具有激光量子点特征的半导体纳米激光二极管。超紫外线激光刻技术(EUV)可使光刻的线宽小于70纳米；远优越于现有的微电子集成电路的光刻技术(Photo Lithography)的极限。
[0161] 5.2当激光量子线(激光纳米丝)的直径小到一定程度时，电子的运动被限制在线条的轴线方向，而电子不能在与轴线垂直的平面上运动，即限制电子只有一维运动自由度。它就是激光量子线。激光量子线具有一维分立数目的电子和分立的能级。电子在激光量子线的轴线方向上运动时，存在库仑阻塞效应；并可以通过激光阵隧道PN结和电极或导线耦合，形成激光电子隧穿效应。激光量子线有一维方向的大尺度线条(它可以是一条直线或曲线)上的相邻纳粒之间的距离处于纳米尺度，也称为一维纳米激光材料。
[0162] 纳米激光材料中，激光量子线可以用作激光库仑岛(或激光中心岛)，通过激光隧道结和电极耦合组成半导体纳米激光二极管或纳米激光三极管。它主要是应用激光量子线的量子效应，其功能与激光量子点极为相似。激光量子线(或激光量子点)可由单分子组成。这种量子线组成的半导体，称为激光分子半导体。
[0163] 激光量子线(激光纳米丝)的主要生成方法：将某种高纯度激光材料在拉晶设备的熔炉中的熔融坩埚融化，由拉着许多根互相平行并垂直于地面的该种激光材料的籽序的机械装置(即其夹持器同时安装许多平行的并垂直于地平面的独立籽序)，同时可以控制这些籽序各自独立地非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，并非常缓慢地将浸入该种激光材料的熔融液中的籽序向上旋转拉起；起先接触籽序上的熔融高纯度激光材料，在保持周围温度基本不变情况下，将按照该籽序的纳面和纳面角以及纳胞的纳格形状等，形成有规则、长程有序排列的该激光材料的序材；然后随着旋转和向上移动逐渐缓慢地形成许多独立的激光量子线。
[0164] 激光纳米丝与现有的单晶体丝相比，具有显著优良特征，尤其是纳米激光量子元件的重要材料之一。
[0165] 5.3激光量子面(激光纳米薄膜)在两个线性无关方向上的电子态都是光激发态的量子化。具有二维方向的大尺度长面(它可以是一个平面段或曲面段)上的相邻纳粒之间的距离处于纳米尺度的激光量子面，称为二维纳米激光材料。它具有二维电子运动自由度与分立数目的能级。电子在激光纳米薄膜内的大尺度平面上运动，存在库仑阻塞效应；并可以通过激光隧道结和电极或导线耦合，形成激光电子隧穿效应。激光纳米薄膜有一维处于小尺寸纳米尺度，如激光纳米薄膜和激光纳米多层薄膜等。
[0166] 现有的薄膜按构成和致密程度，可以分为颗粒膜与致密膜。若薄膜晶粒粘在一起而中间有微米级的极小间隙的薄膜，称为颗粒膜。若膜层致密且晶粒之间存在尺寸为微米数量级裂隙的连续薄膜，称为致密膜。
[0167] 激光量子面的主要合成方法：将某种高纯度激光材料在含有熔炉的拉序设备的熔融坩埚中融化，由拉着该种材料籽序片的机械装置(其夹持器可以同时安装许多平行的并垂直于地平面的独立籽序片，并且可以控制这些籽序片独立地非常缓慢地顺着逆时针方向旋转)，在某一高温下非常缓慢旋转将浸入该种激光材料的熔融液中的籽序片向上拉起；起先接触籽序片上高纯度熔融材料将按照该籽序片的纳面和纳面角以及纳胞的纳格形状等首先形成有规则、长程有序排列的该材料序材；然后随着旋转和向上移动逐渐缓慢地形成许多分开的激光纳米薄膜。其他制备方法还有：溶胶凝胶法、真空蒸发法、磁控溅射法、电沉积法等。
[0169] 5.4激光量子块(纳米块体)是指由纳粒构成的块体激光纳米材料。激光量子块具有三维大尺度方向的相邻纳粒之间的距离处于纳米尺度，也称为三维纳米激光材料。它具有三维线性无关的分立数目的能级。
[0170] 激光量子块的主要合成方法：将某种高纯度激光材料在含有熔炉的拉序设备的熔融坩埚中融化，由拉着该种材料籽序块的机械装置(其夹持器同时安装几个平行的独立籽序块，并且可以控制这些籽序块独立地非常缓慢地顺着逆时针方向旋转)，在一定高温下非常缓慢地将浸入该种高纯度激光材料的熔融液中的籽序块拉起；起先接触籽序块上的熔融激光材料，将按照该籽序块的纳面和纳面角以及纳胞的纳格形状等首先形成有规则、长程有序排列的该材料序材；然后随着旋转和向上移动逐渐缓慢地形成各自的激光量子块。
[0171] 激光量子块的熔点明显降低。如银的熔点通常为670°，而纳米银的熔点可低于100℃；用纳米银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结。这样纳米激光器件的基片可用硅基或纳米复合塑料替代耐高温陶瓷等。
[0172] 激光量子块与现有的单晶体相比，具有显著的优良特征，是制造纳米激光器件的优良纳米材料。它尤其是集成化和平面化敏感的激光量子元件的重要材料之一；也是多功能纳米激光传感器的主要材料。
[0173] 6.至少有一维大尺度方向相邻的各原子簇距离都属于纳米尺度内的序材，称为原子簇序材。
[0174] 原子簇(纳点)在空间排列没有周期性或无规则结合的纳米材料，称为原子簇非序材。
[0175] 至少有一维大尺度方向相邻的各原子簇距离都属于纳米尺度内的激光序材，称为原子簇激光序材。
[0176] 原子簇(纳点)在空间排列没有周期性或无规则结合的激光纳米材料，称为原子簇激光非序材。
[0177] 由许多无规则地排列的小尺度空间原子簇激光序材组成的纳米材料，称为原子簇激光混序材。
[0178] 原子簇晶体与原子簇序材的根本区别是：晶体结构中存在微米数量级尺度的各种裂隙或缺陷，并且这些缺陷使得该晶体不存在其具有的各个线性无关方向的在尺度范围内的相邻原子簇的距离都小于100纳米。
[0179] 原子簇不同于纳粒的特征是：原子簇中的原子数是固定的整数，称为幻数；一般纳粒无幻数概念。
[0181] 原子簇的幻数结构，使其不同于物质的单个原子或分子。相邻原子簇之间距离是纳米数量级的结构，又使原子簇序材不同于固体或液体的单晶体。它不是神秘的物质“第五态”，只是结构特殊的固体或液体。
[0183] 原子簇典型代表是Fen、CunSm、CnHm(n和m都是整数)与碳簇(C20、C36、C50、C60、C70、C80和富勒烯等)。原子簇可分为一元原子团簇、二元原子团簇、多元原子团簇和原子簇化合物。
[0184] 原子簇是介于单个原子与固态的原子集合体之间。它们的原子排列结构和电子运动既不同于分子，也不同于固体。原子簇物质是以弱力结合的松散团簇和周期性很强的单晶体(或序材)或多晶体(或混序材)。
[0186] 碳纳米管序材电学和光学等性能与其几何结构相关，如直径和螺旋角。
[0187] 碳纳米管激光序材具有导体或半导体优异性能；合成方法：石墨电弧法、激光蒸发法和催化裂解法等。
[0188] 碳纳米管激光序材作为一维纳米激光材料，质量轻、结构稳定，具有许多优异的力学、电学和化学的特性。它将用于纳米电子元件、雷达波吸收材料等。通过化学方法对碳纳米管进行修饰处理，可改善其强度以及导电、光学和磁学性能，使其成为光导材料、非线性光学材料、软磁性材料、分子载体等。
[0189] 将活性物质植入碳纳米管序材中，使其成为生物传感器，可用于检测疑难病症，并用于药物合成工业。
[0191] 分散相纳粒均匀分布在晶体基质中的晶体颗粒之中或晶体颗粒之间；两者直接键合甚至形成共格结构。
[0192] 激光纳米复合材料是由分散相(也称为增强体)以纳粒的形态均匀分布于晶态基质中的激光复合材料。增强体可以是纳米材料(包括纳粒、序料片、序料须、序料纤维等)。它的基本制造方法是使纳米颗粒均匀地分散在晶体中，并使这些颗粒进入晶体内形成“内晶型”(分为晶内型、晶界型、晶内晶界混合型)结构。
[0193] 激光纳米复合材料最基本制备技术：将高纯度的基质和熔点比基质高的分散相量子粉或纳粒按照需要的比例放在拉序设备的熔融坩埚中融化(温度比基质的熔点高，但比增强体的熔点低)并搅动；在该熔液的温度下降为基质的熔点(或稍微低一点)时，在保持该温度的环境下，由拉着该种复合材料籽晶(可为籽晶条、籽晶片或籽晶块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔液中的籽晶向上拉起；起先接触籽晶上的熔融材料将按照该籽晶的晶面和晶面角以及晶胞的晶格形状等首先形成有规则、长程有序排列的晶体；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成纳米复合材料锭。
[0194] 常用的纳米激光材料制备方法按工艺过程中基质状态，可分为固相法、液相法和气相法等。通过这些方法可制备出各种具有纳米尺度的金属粉末、氧化物纳米激光序材粉体和碳化物、氮化物等非氧化物纳米激光粉体。此外还有机械混合分散-成型-烧结法、液相分散-成型-烧结法、原位生成-成型-烧结法等。
[0195] 8.通过分散或复合方法将异质相(分散相)纳粒均匀掺入序材基质组成的材料，称为复合纳米材料。
[0196] 分散相纳粒均匀分布在序材基质的纳粒之中或纳粒之间；两者直接键合甚至形成共格结构。
[0197] 激光复合纳米材料是由分散相(也称为增强体)以纳粒的形态均匀分布于序材基质中的激光复合材料。增强体可以是纳米材料(包括纳粒、序料片、序料须、序料纤维等)。它的基本制造方法是使分散相纳粒均匀地分散在序材基质中，使纳粒进入序材内形成“内序型”(分为序内型、序界型、序内序界混合型)结构。
[0198] 复合纳米材料最基本制备技术：将高纯度的基质和熔点比基质高的分散相量子粉或纳粒按照需要的比例放在拉序设备的熔融坩埚中融化(温度比基质的熔点高，但比增强体的熔点低)并搅动；在该熔液的温度下降为基质的熔点(或稍微低一点)时，在保持该温度的环境下，由拉着该种复合材料籽序(可为籽序条、籽序片或籽序块)的机械装置(例如夹持器)非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入该种材料的熔液中的籽序向上拉起；起先接触籽序上的熔融材料将按照该籽序的序面和序面角以及序胞的序格形状等首先形成有规则、长程有序排列的序材；然后随着向上拉起而逐渐缓慢地形成复合纳米材料锭。
[0199] 常用的激光复合纳米材料的制备方法按工艺过程中基质状态，可分为固相法、液相法和气相法等。常用的烧结方法有无压烧结、热压烧结、超高压烧结、热等静压烧结、微波烧结、超高压烧结、选择性激光烧结、放电等离子烧结、烧结-锻压、反应烧结等；还有直接成型-烧结法和表面改性-成型-烧结法等。
[0200] 激光复合纳米材料的合成方法还有：离子注入、真空蒸发法、溅射法、等离子体沉积和溶胶凝胶法等。
[0201] 9.纳米激光器件的非线性基本结构是纳米隧道PN结。它能构成纳米激光二极管，利用其量子效应，可实现现有半导体晶体二极管不能实现的功能。它由PN结和两个电极组成。它发射单色光；并且受激辐射大于自发辐射。其一般采用重掺杂的GaAs-PN结；可实现半导体PN结附近非平衡载流子的反转分布。
[0202] 纳米激光二极管不但有电学特性，还具有光学特征。掺杂序材硅的隧道结和量子隧道效应，是纳米激光器件的基本单元和功能。其重要参量是隧穿速率和阀值电压。隧道结电阻RT＞＞库仑阻塞电阻RK≈26kΩ。
[0203] 序材器件的工作原理和特性与现有的晶体器件是有根本区别的。激光序材器件的制备方法：
[0204] 高纯度硅棒在柴可拉斯基式拉序仪中的熔融坩埚融化，由拉着籽序硅的机械装置(例如籽序硅夹持器)在一定温度下非常缓慢地顺着逆时针方向旋转，将浸入熔融硅中的籽序硅向上拉起；起先接触籽序硅上的熔融硅按照该籽序硅的纳格和纳面角等首先形成有规则、长程有序排列的序材硅；然后逐渐形成序材硅锭。
[0206] 数量不少的激光序材硅二极管要在纳米外延片上制造。纳米外延是一种采取化学反应法进行序材生长的技术。在一定条件下，以衬底的序材硅片(或序材硅丝)作为籽序，让原子(如硅原子)有规则地按照该籽序的结构逐渐排列在该衬底上，形成一层具有一定导电类型、电阻率、厚度和完整纳格结构的序材层。外延生长温度比柴可拉斯基式拉序仪中熔融硅的温度低很多。外延生长温度低于硅的熔点约为30％-50％。
[0207] 还原硅化合物所进行的化学反应，生成的游离态硅原子性质非常活泼，在高温下具有大量的热能。当它落下与衬底序材表面的硅原子进行撞击时，将热能放出，并按照衬底序材硅的原子排列的规律而依次排在其表面上。游离态硅原子源源不断地沉积下来，依照籽序硅的结构整齐地形成序材硅外延层。
[0208] 外延生长技术还可采用化学气相淀积(CVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)方法。
[0209] 10.纳米激光技术是现代科学(量子力学、介观物理和纳米材料学)和现代技术(激光技术、纳米技术、计算机技术和扫描隧道显微技术等)相结合的产物。纳米激光器件与现有的晶体激光器相比，具有更优越的性能，如阀值电流密度可以非常低，甚至是由几个电子所引起的量子效应电流；电能和光能之间转换效率高；输出功率大等。由于序材具有小尺寸效应、表面效应和量子效应等；载流子极易在序材中形成粒子数反转；使纳米激光器能比现有激光器输出更高的功率。同时纳米激光器件具有很小的阀值电流和电流密度，使器件工作电流降到最小，能保证器件在室温下连续工作。
[0210] 纳米激光器是由序材制成的具有特定波长的大功率纳米LD或LD阵列激发特定的激光序材而产生特定波长的器件。将纳米激光器取代现有的相应激光器的技术，就是纳米激光技术。
[0211] 只要将晶体激光技术拓展到序材的纳米激光器后，即将基于晶体制成的激光器替换为基于序材制成的纳米激光器。则纳米激光器就可以同样应用于现有激光器所应用的一切领域和范围等；例如空间纳米激光通信(Free Space Nano Optics，FSNO)、纳米激光立体快速成形、纳米激光生物制造、纳米激光快速成形、纳米激光无线通信、纳米激光显示、纳米激光引雷与驱雾、纳米激光测距、纳米激光雷达、纳米激光制导和导航、纳米激光加工(Nano Lasser beam machining)、纳米激光核聚变、纳米激光的光电对抗等各个方面。同时纳米激光还在军事中、医学中、能源中、交通中、信息中、通信中和材料中等各个方面发挥巨大作用。纳米激光作为信息传递工具，在光通信、光信息处理与存储、机器人视觉等方面具有极好应用前景。
[0213] 纳米激光通信只要将微波段的波分复用WDM和时分复用TDM等技术拓展到纳米激光技术后，就可扩大通信频带。它的传输方式有光纤传输和直接传输两种。直接传输是指纳米激光在大气、水中或外层空间中不借助其他介质的传输。它的发射系统是一台发射激光束的纳米激光器，一个调制器将信号加载在光波上，和一个发射望远镜将聚光束集中在很小的立体角内向目的地传输。它的接收系统由一台接收望远镜将接收到的聚光束传到光电接收器并将光信号变为电信号，最后由解调器将电信号复原(图10)。
[0214] 纳米光电对抗技术实质上是用纳米激光器取代现有的晶体激光器。利用纳米激光设施进行侦察与反侦察，能够使敌方的光电侦察设备迷盲，制导武器失控，通信、指挥、控制系统中断以及激光武器的效能失灵；同时确保己方的光电设备正常。纳米光电对抗武器是一种精确打击敌人的新型先进武器。附图说明
[0215] 图1扫描隧道显微镜示意图。它是用来检测微观形貌和加工的；具有极高的空间分辨能力；主要构成：顶部极细探针、用于三维扫描的三个压电陶瓷、以及用于扫描和电流反馈的控制器等。
[0216] 图2亚稳态E2与基态E1之间的粒子数反转示意图。泵浦源将基态E1上的电子抽运到激发态E3上，电子很快将转移到亚稳态E2上，导致亚稳态上的粒子数N2大于基态E1上的粒子数N1；实现了亚稳态E2(能量较高)与基态E1(能量最低)之间粒子数的反转。
[0217] 图3激发态E1与亚稳态E2之间的粒子数反转示意图。若亚稳态物质的基态能级为E0；粒子数反转的下能级E1(E1＞E0)不在基态，而在激发态。由于下能级E1的粒子本来很少，只要亚稳态E2上稍有粒子积累，就可实现激发态E1和亚稳态E2之间的粒子数反转。
[0218] 图4染料分子能级示意图。基态吸收了外来光子后，分子就从基态能级跃迁到较高的S1态能级上(图中A→b)。分子也有可能从基态跃迁到S2态，再很快地落到S1态上。由于频繁的能量交换。大多数被激发的分子无辐射地衰变到S1态的最低能级上(图中b→B)。这样激发态S1与基态S0之间就实现了粒子数反转。
[0219] 图5染料纳米激光器示意图。纳米激光抽运的可调谐染料纳米激光器的光束与谐振腔轴形成一个小角度(约3°)。谐振腔由反射光栅G与一个镀有钠米介质膜的反射镜M组成。转动光栅就可以改变输出激光的频率。谐振腔内不插入一个法布里-珀罗(F-P)标准具时，输出激光的线宽为0.05纳米。
[0220] 图6电致发光纳米激光器件示意图。它加上正向电压时；非平衡载流子自表面向内部扩散。它们向PN结扩散时，形成光子经两个反射面多次往返后，向外输出激光。
[0221] 图7双层光纤纳米激光器的截面示意图。双层纳米光纤比单层纳米光纤增加了一个内包层(内包层形状可以为圆形)，内包层的横向尺寸和数值孔径均远大于纤芯。
[0222] 图8序材和非序材的膨胀系数示意图。固态纳粒的密堆靠近，作用力较大，序材膨胀系数通常比其液体小。当温度T等于或略低于熔点Tm时，熔液体积出现不连续的变化(B→C)，析出序材。若物质温度小于Tm下降时序材不析出，縮小到呈现固态的温Tg(B→E)时，其膨胀系数突变；在T＜Tg时，形成非序材。
[0223] 图9纳粒的相当半径与系统自由能的总变化之间关系图。当纳粒相当半径r＜临界序核半径RK时，序胚瞬时形成，又瞬时消失。当r＞RK时，在熔液中序胚可以自发地长大成稳定的并具有某一定尺寸的序材。它不会再消失。当r＝RK时，序胚既可能消失，也可能长大成为稳定的小尺寸序料。
[0224] 图10空间激光通信系统示意图。它的发射系统是一台发射激光束的纳米激光器，一个调制器将信号加载在光波上，和一个发射望远镜将聚光束集中在很小的立体角内向目的地传输。它的接收系统由一台接收望远镜将接收到的聚光束传到光电接收器并将光信号变为电信号，最后由解调器将电信号复原。
[0225] 图11重掺杂GaAsPN纳米激光二极管示意图。它是将重掺杂的P-GaAs序材和+ +N-GaAs序材紧密结合在一起，形成一个PN 结以及自建电场。在正向偏压作用下，载流子注入出现正向电流。
[0226] 图12单异质结GaAs半导体纳米激光器示意图。它是由半导体序材N-GaAs和半+导体序材P-AlxGa1-xAs左右紧密夹住半导体序材P-GaAs组成的。P区厚度一般50纳米至
500纳米，激光在P区产生，阀值电流低。
500纳米，激光在P区产生，阀值电流低。
[0227] 图13双异质结GaAs半导体纳米激光器示意图。它是将半导体序材N-GaAs与+ + +N-AlxGa1-xAs和半导体序材P-GaAs与P-AlxGa1-xAs中的N-AlxGa1-xAs和P-GaAs紧密结合而构成的。阀值电流非常低。
[0228] 具体实施方式 微观颗粒(包括原子、电子、分子等)出现在空间中的位置是一种依赖于其物质波的概率。这概率是该波长振幅的函数。物体依赖于其物质波长振幅而出现在某个空间位置的概率，称为该物体的几率团。一个质量为m、以虚拟速度v移动的物体所具有的波长为h/(mv)；其中h为普朗克常数。原子中各个电子的能量轨道具有确定的能量。其中的电子移动是遵循原子核周围的各个能量轨道的电子几率团。原子发射的光子频率是对应于原子核周围的各个能量轨道。这种现象称为物体的波动-粒子的二象性。
[0229] 纳米材料(它为序材、混序材或非序材)中相邻原子的较外部电子壳层是交叠的；电子不再完全局限在某一个原子上，它可以从一个原子转移到相邻的另外原子上。因此，原子较外部壳层中的价电子可以在整个纳米材料中移动。这种移动称之为电子的共有化移动。各个原子中只有能量相同的相应壳层上的电子互相交叠时，电子才能在这些壳层之间转移，引起与之相应的共有化移动。序材与晶体、混序材与多晶体、非序材与非晶体之间的本质区别就是：序材(或混序材、非序材)中至少有一维方向的大尺度范围内，电子的移动显示波动-粒子的二象性；而晶体(或多晶体、非晶体)中电子的运动可以被当做是纯粹的粒子。
[0230] 一个电子从充满了价电子的满带(最外壳层)被激发到导帯之后，则该满带出现空穴。它等同于一个帯+e的电荷移动；并引起空穴的共有化。显然序材中这些电子(空穴)的移动是不同于原子中的内部壳层其他电子(空穴)。这些外部壳层的电子(空穴)共有化只是电子由一个壳层转移到另一个相应壳层。
[0231] 当电子经过每一个原子时，由于共有化，它的移动仍接近于原来在原子外部壳层上的移动规律。因此序材(或混序材，或非序材)中共有化电子还会保留着它们在原子中的某些特征。另外，自由电子可在整个空间中移动，序材的共有化电子也可在整个纳米材料内移动；因此共有化电子基本特点也与自由电子有相似之处。当然，纳米材料(序材、混序材或非序材)中共有化电子受到原子周期性势场作用，与自由电子还是不同的。由于序材中长程有序的周期性重复的结构；各中序材有其共性，例如均匀性、各向异性、对称性和固定的熔点等。各种序材结构多样性和组成的千变万化，决定了该序材的各种各样的具体特性。
[0232] 序材中的纳粒(包括分子、原子或离子等)的表面存在电荷；其在空间的排列呈规则的、周期性的阵列形式，一方面由于两个相邻纳粒中的原子之间存在电磁相互作用；另一方面由于两个相邻纳粒的周围存在的几率团的“量子键合作用”。不同的量子键能导致纳粒在空间作不同的排列，产生具有不同结构的序材。
[0233] 1.在固体纳米激光器中，作为基质的序材(或混序材或非序材)通常制成棒状，两端面抛光成光学平面，并具有很好的平行度。在该两端面镀上反射纳米膜，就构成光学谐振腔。红宝石纳米激光器是由掺有万分之一(按质量计)的Cr2O3的人造白宝石(Al2O3)序3+ 3+ 3+
材棒制成的；序材中的Al 被Cr 所取代；激活离子是Cr 离子。在棒轴方向电子显示波动-粒子二象性。固体纳米激光器一般采用氙灯或高压水银灯作为泵浦源。但光源另外还可以用半导体光源，例如半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)等；或者光纤激光器(LASER)等光源。
材棒制成的；序材中的Al 被Cr 所取代；激活离子是Cr 离子。在棒轴方向电子显示波动-粒子二象性。固体纳米激光器一般采用氙灯或高压水银灯作为泵浦源。但光源另外还可以用半导体光源，例如半导体发光二极管(LED)和半导体激光二极管(LD)等；或者光纤激光器(LASER)等光源。
[0234] 在红宝石纳米激光器运转时，Cr3+吸收了外部光子而从基态4A跃迁到激发态4T1或4 3+ 4 4
T2；这对应于红宝石中Cr 离子的吸收光谱的蓝紫区和绿区的吸收峰。T1或 T2两个能级
3+
很宽，每个宽度约为100纳米，使得光泵抽运的效率很高。Cr 在这两个能级上是不稳定的，
2 2 -3 2
迅速无辐射地跃迁到亚稳态 E上；而E 的寿命长达3×10 s；所以在E 上能积累起大量的
3+ 2 4
Cr 离子，这样在 E与基态 A之间出现粒子数反转。
T2；这对应于红宝石中Cr 离子的吸收光谱的蓝紫区和绿区的吸收峰。T1或 T2两个能级
3+
很宽，每个宽度约为100纳米，使得光泵抽运的效率很高。Cr 在这两个能级上是不稳定的，
2 2 -3 2
迅速无辐射地跃迁到亚稳态 E上；而E 的寿命长达3×10 s；所以在E 上能积累起大量的
3+ 2 4
Cr 离子，这样在 E与基态 A之间出现粒子数反转。
[0235] 红宝石纳光器的能级2E由两个靠得很近的能级 与 组成。从 到基态的跃迁称1跃迁，对应于波长0.6943微米；从 到基态的跃迁称为R2跃迁，对应于波长0.6929微米。
由于 与 两能级靠得很近，热运动使这两能级间的粒子交换十分频繁，可以认为它们的粒子数始终相等。但由于R1线与R2线的荧光强度比为7∶5；结果R1线首先达到阀值，并产生激光。此时 能级上的粒子大量被消耗， 上的粒子迅速补充到 能级上来，使R2线始终达不到阀值。所以在红宝石纳米激光器中只有R1跃迁能形成纳米激光。
由于 与 两能级靠得很近，热运动使这两能级间的粒子交换十分频繁，可以认为它们的粒子数始终相等。但由于R1线与R2线的荧光强度比为7∶5；结果R1线首先达到阀值，并产生激光。此时 能级上的粒子大量被消耗， 上的粒子迅速补充到 能级上来，使R2线始终达不到阀值。所以在红宝石纳米激光器中只有R1跃迁能形成纳米激光。
[0236] 固体纳米激光器一般有两种典型结构。一种是纳米激光棒放在螺旋状灯源的里面，该棒的两个圆形端面镀反射膜(或纳米反射薄膜)。另一种是将纳米激光棒放在椭圆柱面镜的一条焦线上，作光泵用的线状灯源放在另一条焦线上；由于该两条焦线对椭圆柱面是光学共轭的；所以这种装置大大提高了泵浦效率；谐振腔的两个反射镜上涂有纳米反射薄层，并且这两个反射镜与纳米激光棒是分开组装的。
[0237] 采用半导体二极管(LD)取代通常光源泵浦的固体纳米激光器，通过改变LD有源区的厚度或改变有源区“组分”以及通过温度控制，能够精确控制LD输出的光波长，实现泵浦和吸收的光谱相匹配。用LD代替一般光源泵浦的固体纳米激光器，是由紧凑、牢固、可模块化的固体部件组成。它的泵浦效率很高，因此激光器工作时发热小，不需要现有固体激光器由于热效应而必须配备的冷却系统。
[0238] 2.染料纳米激光器(图5)中染料盒的工作物质是纳米染料溶液。这种纳米染料溶液是一种液态非序材。纳米染料分子能级T1和T2(图4)是三重态。它们虽然没有直接卷入激光跃迁，但对染料纳米激光器有重要的影响。从单重态S1到三重态T1的跃迁虽然是选择原则所不允许的，但纳米染料的量子效应，这种跃迁也有一定的概率会发生。因为T1到S0的跃迁是禁止的，于是T1态上的分子越积越多。从T1到T2的跃迁是允许的，而且这一跃迁所吸收的光子的频率范围恰好与激光跃迁的频率范围相同。当T1态上积累了足够的分子后，T1到T2的吸收将很快使纳米激光器的增益下降，以致纳米激光淬灭。由于这个原因，一些染料纳米激光器往往是脉冲运转的；脉冲持续时间短于T1态上的粒子积累时间。
[0239] 染料纳米激光器(图5)中是用纳米激光源抽运的可调谐染料纳米激光的光路。染料纳米激光器的激发光源是固体纳米激光器，如甲酚紫纳米激光器、红宝石纳米激光器等。
[0240] 3.半导体纳米激光器是由半导体序材中一个纳米P+N+结构成的。在纯净的III族-V族化合物的半导体序材GaAs中掺入极少量第2族元素锌(Zn)原子取代其中的部分Ga原子，就形成P-GaAs半导体纳米材料。序材GaAs中掺入极少量第6族元素碲(Te)原子取代其中的部分As原子，就形成N-GaAs半导体纳米材料。
[0241] 3.1纳米激光二极管也是由PN结和两个电极组成的(图6)。其结构基本与激光二极管(LD)一样。纳米激光二极管是由掺杂的半导体序材构成的；而LD是由掺杂的半导体晶体构成的。这是它们之间本质区别。
[0242] 纳米激光二极管是将重掺杂的P-GaAs序材和N-GaAs序材紧密结合在一起，形成+ +一个PN 结以及自建电场(图11)。在正向偏压作用下，载流子注入出现正向电流。纳米+ +
激光二极管谐振腔可利用与PN 结平面相互垂直的序材解理面(110面)构成法布里-珀罗谐振腔。一端的解理面(110)镀上高性能反射膜，另一端的解理面(110)作为反射镜和输出端；实现纳米激光震荡。
激光二极管谐振腔可利用与PN 结平面相互垂直的序材解理面(110面)构成法布里-珀罗谐振腔。一端的解理面(110)镀上高性能反射膜，另一端的解理面(110)作为反射镜和输出端；实现纳米激光震荡。
[0243] 高功率纳米激光二极管阵列SLS RPT系统是将若干个纳米激光二极管通过光纤(可为实心光纤或空心光纤)耦合后，将光纤输出端精密地排列成阵列，在此阵列后面设置微透镜阵列，该透镜阵列的各元与各个光纤输出端对准，使各个激光二极管发出的光束在光纤阵列的前方工作面上形成长度约为200微米的短线。若短线长度小于光纤间的中心距，则形成的光线为断续的虚线，只需将若干阵列形成的虚像互相鑲嵌，使之形成实线。高功率纳米激光二极管阵列SLS RPT系统是桌面型SLSRP系统的技术基础。
[0244] 高功率纳米激光二极管阵列是整个系统的核心部件之一。它可以有以下几种结构形式：
[0245] 3.1.1分立型高功率纳米激光阵列是用多个特制的帯热沉的高功率纳米激光器通过精密的组装术组成阵列，使各发光面排列成一直线。
[0246] 3.1.2单芯片阵列高功率纳米激光器，是在同一序材芯片上按规定间隔加工若干个纳米激光元，使各激光元的发光面排成直线。
[0247] 3.1.3光纤型高功率纳米激光器阵列，是由每个高功率纳米激光器耦合一根光纤，由于光纤可以弯曲，因此纳米激光器不需要紧密地排列成直线，可以使用一般的高功率纳米激光器，与光纤耦合后，将光纤输出端紧密排列成阵列。
[0248] 3.2异质结半导体纳米激光器的有源区不是P+N+结区；而是在P+区。它的结构分为单异质结和双异质结。
[0249] 3.2.1单异质结GaAs半导体纳米激光器是由半导体序材N-GaAs和半导体序材+P-AlxGa1-xAs左右紧密夹住半导体序材P-GaAs组成的(图12)。其中N-GaAs与P-GaAs形+ + +
成PN结；P-GaAs与P-AlxGa1-xAs形成PP 结。电子扩散到达PP 区，因势垒高而被阻挡，留+
在P区；空穴扩散到达PP 区，因势垒不高而到达P区；因而在P区形成粒子数反转。P区厚度一般为50纳米至1000纳米，激光在P区产生，阀值电流低。
成PN结；P-GaAs与P-AlxGa1-xAs形成PP 结。电子扩散到达PP 区，因势垒高而被阻挡，留+
在P区；空穴扩散到达PP 区，因势垒不高而到达P区；因而在P区形成粒子数反转。P区厚度一般为50纳米至1000纳米，激光在P区产生，阀值电流低。
[0250] 3.2.2双异质结GaAs半导体纳米激光器是将半导体序材N-GaAs与N+-AlxGa1-xAs+ +和半导体序材P-GaAs与P-AlxGa1-xAs中的N-AlxGa1-xAs和P-GaAs紧密结合而构成的(图+ +
13)。电子扩散到达PP 区，因势垒高而被阻挡，留在P区；空穴扩散到达NP区，也因势垒高而被阻挡，留在P区；因而在P区极易形成粒子数反转。P区厚度一般为5纳米至50纳米，激光在很窄的P区产生，阀值电流更低。
13)。电子扩散到达PP 区，因势垒高而被阻挡，留在P区；空穴扩散到达NP区，也因势垒高而被阻挡，留在P区；因而在P区极易形成粒子数反转。P区厚度一般为5纳米至50纳米，激光在很窄的P区产生，阀值电流更低。
[0251] 4.光纤纳米激光器(图7)是以纳米光纤本身作为激光介质；其谐振腔由纳米光纤的两个端面黏结腔片或镀上纳米薄膜构成的。它的腔体结构简单，而且纳米光纤柔软可以在最小曲率半径范围外弯曲盘绕成任意形状。它选择发射波长与纳米光纤吸收特性相匹配的体积小巧模块化的高功率半导体激光器或半导体纳米激光器作为泵浦源；易于实现高效率和高功率。
[0252] 光纤纳米激光器利用非常简单和经济的光学元件，就可以将光纤纳米激光器输出的光束聚焦到直径小于10微米的光斑。由于它具有良好的聚焦特性，所以在工业加工中可以获得优良的加工精度和质量。
[0253] 光纤纳米激光器采用光纤耦合二极管泵浦以及细长型的光纤谐振腔，利用与周围大气的热传导冷却，就能使激光器正常工作。它的输出波长随温度和驱动电流而变化；通过控制该两个参数，可提高吸收效率。
[0254] 光纤纳米激光器的能量转换效率高。它通过模块组合，输出功率可达到几千瓦数量级，对大部分材料进行加工是足够的。而且通过倍频技术，可获得绿光甚至紫外线，满足一些持殊的加工需要。
[0255] 光纤纳米激光器的调制性能好。纳米激光的波长为1.1微米时，调制速度可达50kHz。它输出功率稳定性好。因此光纤纳米激光器有稳定的烧结加工过程。这是其他固体激光器无法比拟的。
[0256] 5.纳米激光材料除了基本生成技术和外延生成技术(分为化学气相淀积技术和分子束外延)技术之外，还有许多其他的半导体纳米激光材料和序材或非序材的制备技术。
[0258] 化学法主要有沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶液热反应法、溶液蒸发法、溶液还原法、电化学法。
[0259] 5.1物理制备方法主要采用光、电等技术，使材料在真空或惰性气体中蒸发，然后使材料原子或分子形成半导体纳米激光序材或非序材的纳粒，从而形成纳米激光材料。以下是几种主要的物理制备方法：
[0260] 5.1.1真空冷凝法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法，使金属或半导体原料汽化或形成等离子体，然后快速或缓慢冷却，最终在冷凝管(包括衬底)上形成纳米激光的纳粒；通过调节蒸发温度场和气体压力等参数，可以控制纳粒的尺寸和纳粒之间的距离；并获得良好的序材。用这种方法制备的序材纯度高、组织结构好、粒度分布均匀并可控制，纳粒的最小粒径可达2纳米；适用于任何可蒸发的元素和化合物。
[0261] 5.1.2机械球磨法：以粉碎与研磨相结合的方法实现材料粉末的纳米化。适当控制机械球磨法的条件，可以获得纯元素、合金或复合材料的纳米粉。这种方法操作工艺简单、成本低廉、制备效率高、能够制备出来常规方法难以获得的高熔点金属合金纳米粉或激光材料纳米粉。但它的颗粒分布不均匀、纯度较低。
[0262] 5.1.3离子注入法：在离子注入机中离子源将某种元素的原子或分子转换为离子，然后这些离子在高达几十至几百千伏的电场下，注入到序材(半导体、合金、聚合物等)的表面，并进入表面下的一定深度。
[0263] 5.2化学制备方法与物理制备方法主要区别在于化学制备法中伴随着化学反应。以下为主要化学法：
[0264] 5.2.1气相沉积法：利用金属化合物蒸气的化学反应来合成纳粒。例如，利用激光诱导化气相沉积技术，可以精确控制纳粒的粒径和纳粒间距等，制备出高纯度、无粘结、粒度分布均匀的纳粒。气相沉积法可以制备出几纳米至几十纳米的激光非序材或激光序材纳粒，从而获得纳米激光材料非序材和序材。
[0265] 5.2.2化学沉淀法(包括：共沉淀法、均相沉淀法、多元醇沉淀法、沉淀转化法和直接转化法等方法)：将沉淀剂加入到包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中，使溶液发生水解反应，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类而从溶液中析出；然后将溶剂和溶液之中原有的阴离子洗去；经过热分解或脱水处理，就可以得到纳米尺度的粉体材料。这种方法工艺简单，适合制备纳米激光氧化物粉体材料；但纯度较低。
[0266] 5.2.3水热合成法(高温水解法)：制备纳米激光序材时，在高温高压的条件下，先在水溶液或水蒸气等流体中合成，再经过分离和热处理来获得纳粒。它的优点是纯度高，粒度容易控制。用水热合成法可以制备出粒径只有几纳米的激光序材。
[0267] 5.2.4溶胶凝胶法：它的基本原理是：金属醇盐或无机盐经过水解后形成溶胶，然后溶质聚合凝胶化，再经凝胶干燥、焙烧等低温热处理除去所含的有机成分，最终得到无机材料的纳粒。这种纳米激光材料的制备过程容易控制，纳粒均匀，适合于制备无机序材的纳粒。
[0268] 6.原子簇序材和碳纳米管序材等的制备方法：序材基本生成技术。它可以生成碳纳米管激光序材。
[0269] 原子簇C60的石墨电弧法：在真空反应室内充有压力约13.3kPa的高温氦气，采用较粗的石墨棒作为阴极，较细的石墨棒作为阳极。在两石墨电极棒之间接有直流电压时，在该室内发生电弧放电，石墨阴极上沉淀出环状产物，在反应室内壁沉淀出灰尘状产物，其中都含有C60的黑色烟尘；在阀门和仪表控制下碳的烟灰缓慢冷却；惰性气体He使碳弧释放出的聚合成层片的碳原子在电弧附近保持较长时间，碳层片中的碳原子逐渐自动封闭而形成C60。C60的提纯过程为先净化烟灰，再用乙醚洗涤除去碳氢化合物。C60精选方法是在进给溶液苯中添加适量的蒸馏水，除去非晶碳和不溶物质，再缓缓加热，干燥后获得比较纯净的C60序材。适量体积比的蒸馏水不影响C60的定向性；降低了原子簇的生长速率，能制成缺陷较小的C60。
[0270] 合成碳纳米管的催化裂解法：其基本原理是有机碳源在高温作用下分解出活性的碳原子簇，在催化剂纳粒的作用下，在一定环境和气氛中重新排列形成碳纳米管。因此，通过调节碳源的种类、催化剂纳粒的大小和种类、反应温度、气氛等参数，可调控碳纳米管的类型、结构、形态和排列。
[0271] C60经测量禁带宽度为1.7eV，是一种纳米激光材料。在C60序材中掺入硼或磷之后可制成杂质半导体纳米激光材料(包括序材或非序材)。
[0272] 碳纳米管混序材的横截面是由两个或多个同轴管组成；相邻两层管壁之间距离约为0.34纳米。这种管状结构是由类似于石墨的六边形网格所组成的管状物。碳纳米管一般两头封闭，直径在零点几纳米至几十纳米之间，长度可达几微米至几十微米。其中C60富勒烯可制成激光序材管。
[0273] 7.激光纳米复合材料其他制造方法是使纳粒均匀地分散在基质材料中，并使这些纳粒进入基质内形成“内晶型”(分为晶内型、晶界型、晶内晶界混合型)结构。其中液相分散-成型-烧结法的主要过程是将纳米粉末分散于含有基质组分的溶液中，通过调整工艺参数，在没有析晶、团聚、沉降的情况下使体系冻结、凝胶，经热处理而得到复合粉末。用这种方法制备的纳米复合材料，其显微结构更为精密，性能更好。
[0274] 原位生成的原理是根据材料设计的要求选择适当的反应剂(气相、液相或固相)，在适当的温度下借助序材基质之间的物理化学反应；原位生成分布均匀的分散相。它能克服其他工艺出现的问题，如克服序材基质与分散相浸润不良，界面反应产生脆性层，分散相分布不均匀，微小的(微米级或纳米级)难复合等。
[0275] 8.激光复合纳米材料基本制造方法是使分散相纳粒均匀地分散在序材基质中，使纳粒进入序材内形成“内序型”(分为序内型、序界型、序内序界混合型)结构。
[0276] 复合纳米材料除了最基本制备技术之外，其他最常用的纳米激光复合材料方法是复合粉末-成型-烧结法。它通过化学、物理过程直接制取序材基质和分散相均匀混合的复合粉体，然后用激光合成法等成型烧结。采用这种方法，复合粉体中已经包含所需要的纳米相；并且纳米相在复合粉体中已经均匀分散，不存在纳米相分散和团聚的问题。
[0277] 获得稳定分散纳米激光浆料的一条途径是对纳米激光序材颗粒进行表面改性，使这些颗粒达到单分散的目的。该方法是将分散相微粒或纳粒表面通过化学或物理方法包裹一层氧化物或接枝高分子链，从而改变胶粒表面的酸度等，阻止颗粒(微粒或纳粒)的团聚，改善分散效果。对颗粒表面进行包裹改性主要是通过沉淀反应包裹和溶液-凝胶反应包裹。
[0278] 9.纳米激光器件的非线性基本结构是纳米隧道PN结。量子电流出现库仑阻塞和电子隧穿的条件：①库仑阻塞能必须大于热扰动能，否则热噪声将超过电子的量子隧穿过程；要出现库仑阻塞效应，应减小隧道结电容C。在室温(T≈300K)时，热扰动能KBT＝25meV，电容C＜3.2aF；要求隧道结的面积极小，达到纳米数量级；②隧道结的电阻R1和R2，
2
都必须大于量子电阻，即R1(或R2)＞h/e ≈26kΩ。
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都必须大于量子电阻，即R1(或R2)＞h/e ≈26kΩ。
[0279] 纳米激光器件隧道结采用序材硅片作为衬底；一个(或一个以上)隧道结可由扩散工艺形成。它是在N型序材硅片上生长一层二氧化硅薄膜，利用光刻技术在氧化膜上刻出扩散窗口，进行硼扩散，形成隧道结。
[0280] 另一种制备隧道结方法：在电阻率较低N+型序材硅片上，先用外延技术生长一层电阻率较高的N型层，然后在外延层上利用氧化、光刻、扩散等平面工艺，依次进行受主杂质、施主杂质扩散，以获得PN隧道结。
[0281] 纳米激光器件和集成电路的纳米芯片制备技术均可采用基于固态扩散工艺，该工艺包括外延、氧化、光刻、杂质扩散及金属化。制造一个完整的纳米激光器件或其集成电路需要经过设计、掩膜版制造、纳米芯片制造、装配、检测等几十道工序才能完成。其中关键和核心技术是纳米芯片制备技术。
[0282] 序材硅是通过硅的化合物(如SiCl4和SiHCl3)进行化学反应分解或是通过碳在炉内对二氧化硅(硅砂SiO2)进行还原而获得的。以后者为例，制造硅的原始材料是用一种高纯度的硅砂(SiO2)和不同形式的碳(如焦炭、煤)放入炉管中加热，则会发生以下化学反应：
[0283] SiC(固体)+SiO2(固体)→Si(固体)+SiO(固体)+CO(气体)
[0285] Si(固体)+3HCl(气体)→SiHCl3(气体)+H2(气体)
[0286] 三氯硅烷在室温下为液态(沸点为30℃)，可利用分馏法将液体中不要的杂质去除，提纯后的三氯硅烷再与氢作还原反应生成电子级硅：
[0287] SiHCl3(气体)+H2(气体)→Si(固体)+3HCl(气体)
[0288] 该电子级的硅为超高纯度的多晶硅棒。它包含许多不同硅晶颗粒；可作为制备激光序材硅的基本原料。
[0289] 将超高纯度的多晶硅放在柴可拉斯基式拉序仪内进行序材的制备。最基本的方法是提拉法，首先使多晶硅熔融成为液态，然后将一块做过精确定向的籽序硅浸入熔融硅中，旋转籽序硅并同时非常缓慢地从熔融液中向上拉起。这样熔融硅在籽序硅上按其序材形态不断生成，就拉出柱状激光序材硅棒。
[0290] 柴可拉斯基式拉序仪有三个主要部分：①炉子，包含一个熔融多晶硅(Si)的坩埚、一个石墨基座、一个顺时针方向(C)旋转的机械装置、一个加热装置和一个电源供应器；②拉籽序机械装置，包括籽序夹持器和逆时针方向(CCW)旋转装置；③环境控制，包括气体的供应(如氩气)、流量控制和排气系统。另外，拉序设备的温度、籽序直径、拉籽序的速率和旋转速率等参数都是用微机控制的，并用程序控制工艺步骤。此外，还有各种传感器和反馈回路，使整个控制系统能自动地反应，确保激光序材硅锭的质量。
[0291] 激光序材硅生长时，如果在熔融硅中掺入杂质硼(或磷)原子，就可以获得P型(或N型)序材。激光序材硅锭可用金刚石刀切成序材硅片，切割决定4个序材硅片参数：表面方向(如<100>或<110>)，厚度(如0.5-0.7毫米)，倾斜度(从一端到另一端的序材硅片厚度的差异)和弯曲度(从序材硅片的中心到边缘的弯曲程度)。切割后的序材硅片经研磨、抛光等步骤，获得抛光序材硅片。以抛光序材硅片为衬底，在它的上面就可以制造纳米激光器件或其集成电路的纳米芯片。
[0292] 还有外延生长技术采用化学气相淀积(CVD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)方法。
[0293] 9.1CVD方法生长序材硅外延层，采用硅烷热分解的方法。它是在高温下将硅烷热分解生成硅原子淀积在序材硅衬底上而形成的。其生长原理与用氢还原四氯化硅生成游离硅相似；优点是硅烷热分解所需要的温度较低，可减小自掺杂和反扩散效应等，容易制备高纯度的序材硅外延层。它在常压CVD反应炉中进行，通过在反应气体中增加氢化物杂质掺杂(如乙硼烷、砷烷、磷烷等)，可获得P型或N型纳米激光材料。
[0294] 9.2分子束外延(MBE)是一种特殊的真空蒸发法。该方法生长序材硅外延层，主要有等离子增强(P-MBE)和激光增强(LASER MBE，L-MBE)两种。它是在系统维持超高真空和衬底原子级清洁的条件下，通过原子、分子或离子的物理沉积实现序材外延生成，特别适合生长超纳格激光序材。
[0295] 一个或多个热原子(或热分子)束蒸发到衬底序材硅的表面上，沿着某一序材的纳面外延生长出来原子级厚度和平整度的量子序材薄膜，并且该薄膜厚度、组分、掺杂等都可精确控制，适合制备优质的激光序材薄膜和激光超纳格薄膜。MBE应用的关键是纳米激光序材和其衬底的纳格常数以及类型匹配。
[0296] MBE既能精确控制序材外延层的化学配比，又能精确控制杂质分布，序材衬底温度低并能够有将抑制固相外扩散和自掺杂。它制备的ZnO纳米激光材料的性能很好，具有很好的光电特性。
[0297] MBE极精确地控制生长层的厚度，每次可只生长一个单原子或单分子层；可制备量子点、量子线等。
[0298] 10.用纳米激光器取代现有的晶体激光器，可将纳米激光设备应用于各行各业中，并发挥重大作用。
[0299] 10.1空间(无线)纳米激光通信(图10)中，发射系统有发射激光束的纳米激光器，调制器将信号加载到激光上，发射望远镜将激光束集中在一个很小的立体角内向目的地传输；接收系统由接收望远镜把接收到的激光束传到解调器将光信号变为电信号，通过放大器将信号复原。
[0300] 卫星纳米激光通信系统通过激光束将几个卫星连接起来形成通信网络，以纳米激光为载体在卫星和地面之间传输信息。采用这种通信方式，纳米激光信号在空间沿着地球轨道前进，到目的地信号才返回地面。
[0301] 10.2在军事的纳米光电对抗技术中，纳米激光告警设备主要由纳米激光接收系统、光电传感器、信号处理器、显示与告警装置等组成。纳米激光接收系统用于截获敌方激光束、滤除大部分杂散光后将纳米激光束会聚到光电传感器上，光电传感器将光信号转变为电信号后送至信号处理器，经信号处理器处理后送至显示器，可显示出目标类型、威胁等级和方位等有关信息，并发出告警信号。还可以将来袭目标的威胁信号数据通过接口装置直接送至与其相连接的对抗设备，直接启动和控制这些对抗设备。
[0302] 各类纳米激光告(预)警器用于战术支援侦察，而用于战略侦察的是纳米激光情报侦察设备。纳米激光情报侦察，是由纳米激光侦察监视接收机承担；其实质是在战前进行的战略活动，并在纳米激光告警机中建立一个威胁数据库。该数据库存有敌方各种激光源的情报资料，包括敌方各种激光源的脉冲重复频率、脉宽、编码方式和波长等。即使看不到激光源，根据威胁数据库，也能识别敌方的激光类型；确保己方的光电设备正常。纳米光电对抗武器是一种精确打击敌人的新型先进武器。
[0303] 纳米激光告警机的关键技术是探测器。探测器主要有三种：1)用于可见光至近红外波段的纳米激光探测器，其关键是PIN纳米光电二极管，通常有两种：序材硅PIN光电二极管和序材铟GaAs/PPIN，光谱响应分别为0.4-1.1微米和0.95-1.65微米，光敏面直径分别为0.2厘米和0.05厘米。2)用于10.6微米波段的纳米激光控测器，也有两种：光导序材碲镉汞探测器和光伏序材碲镉汞探测器，光谱响应都在8-12微米范围，光敏面尺寸分别为0.1厘米和0.03厘米。3)三波段碲隔汞红外纳米激光探测器，有两种结构：短波元件叠放在长波元件上面，中间用透红外的环氧树脂黏合的叠层结构；另一种为并列结构。
[0304] 10.3纳米激光在医学、医疗领域的各种应用中根据作用原理和部位选择适用的纳米激光光源。由于纳米激光器具有小型、高功率、可移动、易操作和性能好等，将成为医学医疗用的激光器的主流。
[0305] Er:YAG(2.94微米)、Ho:YAG(2.09微米)、Tm:YAG(2.01微米)纳米激光器等是以YAG序材为基质的新型激光器，可取代现有的激光器。Er:YAG纳米激光器的波长在水的吸收峰值上，因此适合于对软组织作用，同时对牙齿等硬组织也显示出很高的蒸散能力。Ho:YAG和Tm:YAG纳米激光器适合石英光纤传输。
[0306] 10.4纳米激光快速成形(Rapid Prototyping，RP)技术属于“离散/堆积”成形。它通过离散获得堆积的路径、限制和方式，通过堆积纳米材料叠加起来形成三维实体。纳米激光快速成形技术将CAD、CAM、CNC精密伺服驱动、光电子和纳米材料等技术集于一体，依据由CAD构造的产品三维模型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓。按照这些轮廓，纳米激光束选择性地切割一层层的纸(或固化一层层的液态树脂，或烧结一层层的粉末材料)，或喷射源选择性地喷射一层层的黏结剂或热熔材料等，形成各截面并逐步叠加成三维产品。它将一个复杂的三维加工简化成一系列二维加工的组合；自动完成从电子模型(CAD模型)到物理模型(原型和零件)的转换。它可将任意复杂表面形状和复杂内腔结构的零件进行加工。它可实现材料提取(气相、液相、固相)过程与制造过程一体化、设计(CAD)与制造(CAM)一体化等。
[0307] 纳米激光快速成形技术将广泛应用于机械、石油化工、电子、计算机、生物医学工程等各个方面。
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