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 takiego lasera często wynosi zaledwie setki, a nawet dziesiątki mikronów, a jego średnica sięga rzędu nanometrów, co stanowi ważny element przyszłych wyświetlaczy cienkowarstwowych, zintegrowanej optyki i innych dziedzin.
Klasyfikacja nanolaserów:
1. Laser nanodrutowy
W 2001 roku naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley w Stanach Zjednoczonych stworzyli najmniejszy na świecie laser – nanolasery – na drucie nanooptycznym o długości zaledwie jednej tysięcznej długości ludzkiego włosa. Laser ten 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 epifitacją zorientowaną, aby stworzyć laser z czystych kryształów tlenku cynku. Najpierw „hodowali” nanodruty, to znaczy uformowali na warstwie złota o średnicy od 20 nm do 150 nm i długości 10 000 nm czystych drutów tlenku cynku. Następnie, gdy naukowcy aktywowali czyste kryształy tlenku cynku w nanodrutach innym laserem pod szklarnią, czyste kryształy tlenku cynku wyemitowały laser o długości fali zaledwie 17 nm. Takie nanolasery mogą być w przyszłości wykorzystywane do identyfikacji substancji chemicznych i zwiększania pojemności pamięci dysków komputerowych i komputerów fotonicznych.
2. Nanolaser ultrafioletowy
Po pojawieniu się mikrolaserów, laserów mikrodyskowych, laserów mikropierścieniowych i kwantowych laserów lawinowych, chemik Yang Peidong i jego współpracownicy z Uniwersytetu Kalifornijskiego 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 z wykorzystaniem nanotechnologii. We wstępnej fazie rozwoju naukowcy przewidywali, że ten nanolaser ZnO będzie łatwy w produkcji, będzie miał wysoką jasność, niewielkie rozmiary i wydajność równą lub nawet lepszą niż niebieskie lasery GaN. Dzięki możliwości tworzenia matryc nanodrutów o dużej gęstości, nanolasery ZnO znajdą zastosowanie w wielu zastosowaniach, które nie są możliwe w przypadku dzisiejszych urządzeń GaAs. Aby wyhodować takie lasery, nanodrut ZnO jest syntezowany metodą transportu gazu, która katalizuje epitaksjalny wzrost kryształów. Najpierw podłoże szafirowe jest pokrywane warstwą złota o grubości 1 nm–3,5 nm, a następnie umieszczane na łódce z tlenku glinu. Materiał i podłoże są podgrzewane do temperatury 880–905°C w strumieniu amoniaku, co prowadzi do wytworzenia pary Zn. Para Zn jest następnie transportowana na podłoże. W procesie wzrostu trwającym 2–10 minut uzyskano nanodruty o średnicy 2 μm–10 μm i heksagonalnym przekroju poprzecznym. Naukowcy odkryli, że nanodrut ZnO tworzy naturalną wnękę laserową o średnicy od 20 nm do 150 nm, a większość (95%) jego średnicy wynosi od 70 nm do 100 nm. Aby zbadać emisję wymuszoną nanodrutów, naukowcy pompowali optycznie próbkę w szklarni za pomocą czwartej harmonicznej wyjściowej lasera Nd:YAG (długość fali 266 nm, szerokość impulsu 3 ns). Podczas ewolucji widma emisyjnego światło jest rozpraszane wraz ze wzrostem mocy pompującej. Gdy natężenie lasera przekroczy próg nanodrutu ZnO (około 40 kW/cm), w widmie emisyjnym pojawi się najwyższy punkt. Szerokość linii tych najwyższych punktów jest mniejsza niż 0,3 nm, co stanowi ponad 1/50 szerokości linii od wierzchołka emisji poniżej progu. Te wąskie szerokości linii i szybki wzrost intensywności emisji doprowadziły naukowców do wniosku, że emisja wymuszona rzeczywiście występuje w tych nanodrutach. Dlatego ta matryca nanodrutów może działać jak naturalny rezonator i tym samym stać się idealnym źródłem mikrolaserów. Naukowcy są przekonani, że ten krótkofalowy nanolaser może znaleźć zastosowanie w dziedzinie obliczeń optycznych, przechowywania informacji i nanoanalizatorów.
3. Lasery ze studnią kwantową
Przed i po 2010 roku 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 ogromny wpływ na działanie obwodu. Aby rozwiązać ten problem, powstały lasery ze studniami kwantowymi. W mechanice kwantowej pole potencjału, które ogranicza ruch elektronów i kwantuje je, nazywa się studnią kwantową. To ograniczenie kwantowe jest wykorzystywane do tworzenia kwantowych poziomów energetycznych w warstwie aktywnej lasera półprzewodnikowego, tak aby przejście elektronowe między poziomami energetycznymi dominowało w wzbudzonym promieniowaniu lasera, który jest laserem ze studnią kwantową. Istnieją dwa rodzaje laserów ze studniami kwantowymi: kwantowe lasery liniowe i kwantowe lasery kropkowe.
① Laser liniowy kwantowy
Naukowcy opracowali lasery kwantowe, które są 1000 razy mocniejsze niż lasery tradycyjne, co stanowi duży krok w kierunku tworzenia szybszych komputerów i urządzeń komunikacyjnych. Laser, który może zwiększyć prędkość transmisji dźwięku, obrazu, Internetu i innych form komunikacji w sieciach światłowodowych, został opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Yale, Lucent Technologies Bell LABS w New Jersey oraz Instytutu Fizyki Maxa Plancka w Dreźnie. Te lasery o wyższej mocy zmniejszą zapotrzebowanie na drogie repeatery, instalowane co 80 km (50 mil) wzdłuż linii komunikacyjnej, generujące impulsy laserowe o mniejszej intensywności podczas przemieszczania się przez światłowód (tzw. repeatery).
Czas publikacji: 15 czerwca 2023 r.