Nanolaser to rodzaj mikro i nanourządzenia, które jest wykonane z nanomateriałów, takich jak nanodrut jako rezonator i może emitować laser pod wpływem fotowzbudzenia lub wzbudzenia elektrycznego. Rozmiar tego lasera wynosi często tylko setki mikronów lub nawet dziesiątki mikronów, a średnica sięga rzędu nanometrów, co jest ważną częścią przyszłego wyświetlacza cienkowarstwowego, zintegrowanej optyki i innych dziedzin.
Klasyfikacja nanolaserów:
1. Laser nanodrutowy
W 2001 roku naukowcy z University of California w Berkeley w Stanach Zjednoczonych stworzyli najmniejszy na świecie laser – nanolasery – na nanoprzewodzie o długości zaledwie jednej tysięcznej długości ludzkiego włosa. Ten laser nie tylko emituje lasery ultrafioletowe, ale może być również dostrojony do emitowania laserów w zakresie od niebieskiego do głębokiego ultrafioletu. Naukowcy zastosowali standardową technikę zwaną zorientowaną epifitacją, aby stworzyć laser z czystych kryształów tlenku cynku. Najpierw „hodowali” nanoprzewody, to znaczy uformowane na warstwie złota o średnicy od 20 nm do 150 nm i długości 10 000 nm czystych przewodów tlenku cynku. Następnie, gdy naukowcy aktywowali czyste kryształy tlenku cynku w nanoprzewodach innym laserem pod szklarnią, czyste kryształy tlenku cynku emitowały laser o długości fali zaledwie 17 nm. Takie nanolasery będzie można wykorzystać do identyfikacji substancji chemicznych i zwiększenia pojemności pamięci dysków komputerowych i komputerów fotonicznych.
2. Nanolaser ultrafioletowy
Po pojawieniu się mikrolaserów, laserów mikrodyskowych, laserów mikropierścieniowych i laserów lawinowych kwantowych chemik Yang Peidong i jego współpracownicy z University of California w Berkeley stworzyli nanolasery o temperaturze pokojowej. Ten nanolaser z tlenku cynku może emitować laser o szerokości linii mniejszej niż 0,3 nm i długości fali 385 nm pod wpływem wzbudzenia światłem, co jest uważane za najmniejszy laser na świecie i jedno z pierwszych praktycznych urządzeń wyprodukowanych przy użyciu nanotechnologii. Na początkowym etapie rozwoju naukowcy przewidzieli, że ten nanolaser ZnO jest łatwy w produkcji, ma wysoką jasność, niewielkie rozmiary, a jego wydajność jest równa lub nawet lepsza niż niebieskich laserów GaN. Ze względu na możliwość tworzenia układów nanodrutów o dużej gęstości, nanolasery ZnO mogą wejść w wiele zastosowań, które nie są możliwe w przypadku dzisiejszych urządzeń GaAs. Aby wyhodować takie lasery, nanodrut ZnO jest syntetyzowany metodą transportu gazu, która katalizuje epitaksjalny wzrost kryształu. Najpierw podłoże szafirowe jest pokrywane warstwą złotej folii o grubości 1 nm~3,5 nm, a następnie umieszczane na łódce z tlenku glinu, materiał i podłoże są podgrzewane do 880 ° C ~ 905 ° C w przepływie amoniaku w celu wytworzenia pary Zn, a następnie para Zn jest transportowana do podłoża. Nanodruty o średnicy 2 μm ~ 10 μm o heksagonalnym przekroju poprzecznym zostały wygenerowane w procesie wzrostu trwającym 2 min ~ 10 min. Naukowcy odkryli, że nanodrut ZnO tworzy naturalną wnękę laserową o średnicy od 20 nm do 150 nm, a większość (95%) jej średnicy wynosi od 70 nm do 100 nm. Aby zbadać stymulowaną emisję nanodrutów, naukowcy optycznie pompowali próbkę w szklarni za pomocą czwartej harmonicznej wyjścia lasera Nd:YAG (długość fali 266 nm, szerokość impulsu 3 ns). Podczas ewolucji widma emisyjnego światło jest laminowane wraz ze wzrostem mocy pompowania. Gdy laser przekroczy próg nanodrutu ZnO (około 40 kW/cm), najwyższy punkt pojawi się w widmie emisyjnym. Szerokość linii tych najwyższych punktów jest mniejsza niż 0,3 nm, co stanowi ponad 1/50 mniej niż szerokość linii od wierzchołka emisji poniżej progu. Te wąskie szerokości linii i szybkie wzrosty intensywności emisji doprowadziły naukowców do wniosku, że stymulowana emisja rzeczywiście występuje w tych nanodrutach. Dlatego ta matryca nanodrutów może działać jak naturalny rezonator i w ten sposób stać się idealnym źródłem mikrolaserów. Naukowcy uważają, że ten krótkofalowy nanolaser może być stosowany w dziedzinach obliczeń optycznych, przechowywania informacji i nanoanalizatorów.
3. Lasery kwantowe
Przed i po 2010 r. szerokość linii wytrawionej na chipie półprzewodnikowym osiągnie 100 nm lub mniej, a w obwodzie będzie poruszać się tylko kilka elektronów, a wzrost i spadek elektronu będzie miał duży wpływ na działanie obwodu. Aby rozwiązać ten problem, powstały lasery ze studnią kwantową. W mechanice kwantowej pole potencjału, które ogranicza ruch elektronów i kwantyzuje je, nazywa się studnią kwantową. To ograniczenie kwantowe jest wykorzystywane do tworzenia poziomów energii kwantowej w warstwie aktywnej lasera półprzewodnikowego, tak aby przejście elektronowe między poziomami energii dominowało nad wzbudzonym promieniowaniem lasera, który jest laserem ze studnią kwantową. Istnieją dwa rodzaje laserów ze studnią kwantową: lasery liniowe kwantowe i lasery kropkowe kwantowe.
① Laser liniowy kwantowy
Naukowcy opracowali lasery kwantowe, które są 1000 razy mocniejsze od tradycyjnych laserów, co stanowi duży krok w kierunku tworzenia szybszych komputerów i urządzeń komunikacyjnych. Laser, który może zwiększyć prędkość dźwięku, obrazu, Internetu i innych form komunikacji przez sieci światłowodowe, został opracowany przez naukowców z Yale University, Lucent Technologies Bell LABS w New Jersey i Max Planck Institute for Physics w Dreźnie w Niemczech. Te lasery o większej mocy zmniejszyłyby potrzebę stosowania drogich repeaterów, które są instalowane co 80 km (50 mil) wzdłuż linii komunikacyjnej, ponownie wytwarzając impulsy laserowe, które są mniej intensywne podczas przechodzenia przez światłowód (Repeater).
Czas publikacji: 15-06-2023