“袖珍之光，领航未来” ：微型激光器促进科技革新

提起激光，浮现在你脑海中的第一个画面是什么？是使你重获鹰一般视力的激光手术，还是驾车时发挥巨大作用的激光雷达，亦或是在工业中必不可缺的激光光刻机？你会发现，激光早已渗透进人类社会的方方面面，比如工业、农业、精密测量和探测、通讯与信息处理、医疗、军事等，同时激光器的使用也促使这些领域进入了全新的发展阶段，在相互促进之下，激光器微型化成为了重要的发展方向。

什么是微型激光器？

微型激光器是一种尺寸小、功耗低、适用于微型化设备的激光器。类似于电子学器件的发展，激光器的微型化和集成化发展改善了系统的性能，开辟了多种新的应用领域。近年来，随着光电子器件的高度集成化，微型激光器以体型小、光束质量高、激光亮度强和响应速度快等优点在激光器中占据了一席之地。

在生物医学领域，生物微型激光器的出现，将生物学与光子学巧妙地结合在一起，利用生物材料作为增益介质，通过激光发射来监测和研究生物活性。这种技术在分子、细胞、组织乃至整个生物体水平上的应用，为生命科学和生物医学领域带来了革命性的变化。生物微型激光器可以用于检测生物标志物、实时监测细胞生理状态、区分正常与癌变组织，甚至在活体生物中监测生命活动，为疾病诊断和治疗提供了新的工具。

在光通信和数据处理领域，片上微型激光器作为硅光子学的核心组件，其在硅基材料上的直接集成为光通信、传感、数据处理等提供了高效的光源。这些激光器的设计和制造涉及精密的材料工程和先进的集成技术，目的是在保持低功耗的同时提供高效率的光发射。当前的研究主要集中在提高性能和开发与硅基材料兼容的集成技术上，以实现大规模生产和降低成本。在接下来的部分，我们将深入探讨微型激光器在生物医学和硅光子学领域的具体应用，展示其如何在这些领域内引发技术革新，并突出其在实际应用中的潜力和价值。

接下来，请随激光评论一起详细了解以上两种微型激光器吧！

生物微型激光器：生物与光的奇妙结合

生物微型激光器（Biological Lasers）是一种结合了生物学和光子学的创新技术，它们利用生物材料作为增益介质，通过激光发射来监测和研究生物活性^[1]。这些微型激光器在分子、细胞、组织乃至整个生物体水平上的应用，为生命科学和生物医学领域带来了革命性的变化。其核心是一个微型光学腔，它可以是一个微球、微盘或其他形状的微型结构。这些光学腔能够捕获并放大光信号，当光在腔内多次反射并达到一定强度时，就会形成激光。与传统激光器不同，生物微型激光器的增益介质是生物材料，如蛋白质、DNA或细胞内的荧光分子。这些生物材料的光学特性使得激光器能够对生物环境中的微小变化做出响应，从而实现生物传感。

图1 不同生命水平中的生物激光

生物微型激光器在生物传感领域有着广泛的应用^[2]。它们可以用于检测生物环境中的生物标志物，如pH值、温度、生物电静力、湿度和渗透压，以及特定的生物分子，如蛋白质和DNA。这些传感器可以用于疾病诊断、环境监测和生物分子研究。例如，通过监测细胞内特定蛋白质的浓度变化，可以早期发现疾病的征兆。在细胞层面，生物微型激光器可以作为细胞内部的传感器，实时监测细胞的生理状态。通过将微型光学腔引入细胞内部，科学家们可以追踪细胞的生长、分裂以及与外界环境的相互作用。在组织和器官层面，生物微型激光器在癌症研究和诊断领域具有重要应用潜力。密西根大学生物工程系的范旭东教授课题组开发了激光发射显微镜(LEM)技术，为癌症的早期发现和精确诊断提供了一种创新的光学手段^[3]。这项技术能够深入观察并分析细胞核内DNA的变化，为识别即将癌变的细胞提供了新的途径。这种先进的激光器技术被集成到病理诊断流程中，可以实时监测并记录细胞的分子活动，尤其是在癌变过程中的细微变化。通过高信噪比和高光谱/空间分辨率，LEM技术能够提供出色的图像对比度，使医生能够在细胞形态学变化之前，识别出细胞核DNA的异常，从而实现对癌症的早期诊断。

图2 植入心脏细胞的生物激光器原理图

生物微型激光器还可以用于监测活体生物的生命活动。由圣安德鲁斯大学物理与天文学学院的Marcel Schubert博士和Malte Gather教授以及圣安德鲁斯大学医学院的Samantha Pitt博士^[4]领导的一个跨学科研究团队开发了一种新型微型激光器技术，能够精确监测心脏细胞的收缩活动。这些微小的激光器被集成到心脏细胞中，可以实时跟踪细胞收缩时发生的微小折射率变化，从而获得细胞级别的心脏活动信息。尽管生物微型激光器在多个领域展现出了巨大的潜力，但它们的发展仍然面临着一些挑战：首先，如何提高生物激光器的通量，以便同时监测更多的细胞或组织？其次，如何利用其丰富的光谱特性进行更精确的检测？此外，如何将这些技术与现有的成像技术相结合，以实现更全面的生物成像，也是一个重要的研究方向。

片上集成微型激光器：硅光子学的核心组件

片上微型激光器是硅光子学领域的一项关键技术，它们在硅基材料上直接集成，为光通信、传感、数据处理等提供了一种高效的光源。这些激光器的尺寸小，可以在硅芯片上与其他光子器件紧密集成，从而实现高性能的光子集成电路。在设计和制造过程中，这些激光器需运用精密的材料工程和先进的集成技术，以确保在实现低功耗的同时，还能提供高效的光发射^[5]。目前，片上微型激光器的研究焦点主要集中在性能提升和集成技术的优化上。研究人员致力于降低激光器的阈值电流和提高发光效率与稳定性，以适应更广泛的实际应用。此外，开发与硅基材料兼容的集成技术不仅有助于大规模生产，也是降低制造成本的关键，这些进展为片上微型激光器的应用前景打开了新的可能性。

图3 1992年以来不同发展阶段的硅基光子集成的进展情况

为了实现这些目标，研究者们探索了多种材料和集成策略。例如，通过在硅基材料上生长III-V族半导体材料，可以利用其直接带隙特性实现高效的光发射。此外，通过在硅基材料上引入应变和合金化，可以进一步优化材料的光学特性，实现直接带隙的发光。异质集成和单片集成是两种主要的方法。异质集成通过在硅基材料上键合III-V族半导体薄膜来实现，这种方法可以充分利用III-V族材料的光学优势，同时保持与硅基CMOS工艺的兼容性。单片集成则是通过在硅基材料上直接生长III-V族半导体层来实现，这种方法提供了更高的集成度和更低的耦合损耗，但面临着晶格失配和热膨胀系数差异带来的挑战。

片上微型激光器的应用前景非常广泛：在光通信领域，它们可以作为数据中心和网络基础设施中的光互连光源，提供高速、低延迟的数据传输；在传感领域，它们可以用于化学和生物传感器，实现对环境污染物、病原体等的快速检测；在量子计算和信息处理领域，片上微型激光器可以用于实现量子比特的操控和量子通信^[6]。此外，它们还在光学计算领域展现出潜力，能够通过光子集成电路实现并行处理和低功耗计算。

图4 集成片上激光器的硅基光子集成芯片的应用

尽管片上微型激光器的研究取得了显著进展，但仍面临一些挑战，如提高器件的可靠性、降低制造成本以及进一步优化性能。但随着材料科学、微纳加工技术和光子集成电路设计的不断进步，预计这些挑战将逐渐被克服，片上微型激光器将在未来的光子技术中发挥更加重要的作用。

总结与展望

微型激光器以其尺寸小、功耗低和高集成度的特点，正引领着科技创新的浪潮。在生物医学领域，生物微型激光器通过将生物学与光子学结合，提供了革命性的生物传感和诊断工具，为精准医疗和疾病早期检测开辟了新途径。在光通信和数据处理领域，片上微型激光器作为硅光子学的核心组件，提供了高效的光源，推动了高速、低功耗数据传输和量子计算的发展。在未来，随着材料科学、微纳加工技术和光子集成电路设计的不断进步，微型激光器将克服当前的技术挑战，广泛应用于更多领域。通过多学科交叉与协同创新，微型激光器不仅将在技术革新中发挥重要作用，还将为人类社会的发展带来深远影响。我们期待微型激光器继续引领科技前沿，推动人类迈向更加智能化和高效化的未来。

参考文献

[1] Shan H, Dai H, Chen X. Monitoring Various Bioactivities at the Molecular, Cellular, Tissue, and Organism Levels via Biological Lasers[J]. Sensors, 2022, 22(9): 3149.

[2] Watanabe K, Kishi Y, Hachuda S, et al. Simultaneous detection of refractive index and surface charges in nanolaser biosensors[J]. Applied Physics Letters, 2015, 106(2).

[3] Optical techniques promise better cancer recognition[J]. Electro Optics, 2020(300).

[4] Schubert M, Woolfson L, Barnard I R M, et al. Monitoring contractility in cardiac tissue with cellular resolution using biointegrated microlasers[J]. Nature  Photonics[2024-06-03].DOI:10.1038/s41566-020-0631-z.

[5] Zhou Z, Ou X, Fang Y, et al. Prospects and applications of on-chip lasers[J]. Elight, 2023, 3(1): 1-25.

[6] Waldrop M M. The chips are down for Moore’s law[J]. Nature News, 2016, 530(7589): 144.