我国科学家在拉曼纳米激光研究方面取得重要进展

在国家自然科学基金项目（项目编号：51502175，61575129，11304206）资助下，深圳大学光电工程学院阮双琛教授团队在拉曼纳米激光研究方面取得重要进展，研究成果近期以“A Thresholdless Tunable Raman Nanolaser using a ZnO–Graphene Superlattice（基于氧化锌-石墨烯超晶格的无阈值拉曼纳米激光）”为题发表在Advanced Materials上。

随着纳米光技术如芯片级光通讯、生物医学成像的发展，人们对激光的研究进入到亚波长范围。亚波长激光如纳米激光的发展主要基于表面等离子体增强发射光技术。一般的纳米激光波长固定，限制了其应用，而拉曼光散射能将泵浦光转变为新的波长。发展新型拉曼纳米激光可以得到波长可调的纳米激光，有可能在应用上取得创新性的突破。

阮双琛教授团队采用空间限域生长法合成了一种新型石墨烯基超晶格材料，这种石墨烯基超晶格可以在从可见光到近红外光波段较宽的波长范围激发出表面等离子体，光激发该超晶格材料可以得到波长可调的拉曼纳米激光。该拉曼纳米激光具有无阈值、可室温操作、激光波长可调、激光波长覆盖范围广（波段从可见光到近红外光）等特点，有望在纳米光技术如生物医学成像等方面取得应用上的新突破。

图1（a）超晶格的X射线衍射谱，内图为超晶格侧面结构示意图；（b）超晶格表面高分辨电镜照片，晶面间距2.81?和1.87?可指标为ZnO层，内图为超晶格表面结构示意图；（c）超晶格纳米片侧面高分辨电镜照片；（d）超晶格选区电子衍射花样。

图2（a）ZnO的拉曼谱；（b-f）ZnO-石墨烯超晶格在不同泵浦光激发下的激光光谱，对应泵浦光波长分别为b）488nm，c）514.5nm，d）568nm，e）647nm，f）785nm，泵浦功率为3.2kW /cm2； (g) 拉曼散射过程的能级图，其中拉曼振动模V1-V4对应图（a）中的V1-V4，能级图中的四个散射光E1-E4对应拉曼激光中的E1-E4。

图3（a）在不同泵浦功率514.5nm激光激发下得到的激光光谱；（b）拉曼纳米激光功率密度随泵浦功率的变化曲线；（c）拉曼纳米激光峰E1-E4的线宽随泵浦功率的变化曲线；（d）不同温度下的拉曼纳米激光光谱；（e）不同泵浦功率密度514.5nm激光激发下E1-E4的激光光谱图。

图4（a）用于研究ZnO-石墨烯超晶格表面等离子共振的Kretschmann构造示意图；（b）Kretschmann构造得到的ZnO-石墨烯超晶格表面等离子共振反射率曲线，这是由原始数据经过四阶多项式拟合得到的曲线；（c）ZnO-石墨烯超晶格界面对拉曼振动模的高度方向选择性示意图，这是无阈值拉曼纳米激光产生的重要条件。