Nanolaser to rodzaj urządzenia mikro i nano, które jest wykonane z nanomateriałów, takich jak nanodrut jako rezonator, i może emitować laser pod wpływem fotowzbudzenia lub wzbudzenia elektrycznego.Rozmiar tego lasera często wynosi tylko setki mikronów, a nawet dziesiątki mikronów, a średnica sięga rzędu nanometrów, co jest ważną częścią przyszłego wyświetlacza cienkowarstwowego, zintegrowanej optyki i innych dziedzin.
Klasyfikacja nanolasera:
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.Aby stworzyć laser z kryształów czystego tlenku cynku, badacze zastosowali standardową technikę zwaną epifitacją zorientowaną.Najpierw „hodowali” nanodruty, czyli uformowali na warstwie złota druty z czystego tlenku cynku o średnicy od 20 nm do 150 nm i długości 10 000 nm.Następnie, gdy badacze aktywowali kryształy czystego tlenku cynku w nanodrutach za pomocą innego lasera pod szklarnią, kryształy czystego tlenku cynku wyemitowały laser o długości fali zaledwie 17 nm.Takie nanolasery można by ostatecznie wykorzystać do identyfikacji substancji chemicznych i poprawy pojemności przechowywania informacji na dyskach komputerowych i komputerach 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 w temperaturze pokojowej.Ten nanolaser tlenku cynku może emitować laser o szerokości linii mniejszej niż 0,3 nm i długości fali 385 nm przy wzbudzeniu światłem, co jest uważane za najmniejszy laser na świecie i jedno z pierwszych praktycznych urządzeń wyprodukowanych przy użyciu nanotechnologii.Na początkowym etapie rozwoju naukowcy przewidywali, że ten nanolaser ZnO jest łatwy w produkcji, ma wysoką jasność, małe rozmiary, a wydajność jest równa lub nawet lepsza niż w przypadku niebieskich laserów GaN.Ze względu na możliwość wytwarzania układów nanodrutów o dużej gęstości, nanolasery ZnO mogą znaleźć wiele zastosowań, które nie są możliwe w przypadku dzisiejszych urządzeń GaAs.Aby wyhodować takie lasery, nanodrut ZnO syntetyzuje się metodą transportu gazu, która katalizuje wzrost kryształów epitaksjalnych.Najpierw podłoże szafirowe powleka się warstwą złota o grubości 1 nm ~ 3,5 nm, a następnie umieszcza się na łódce z tlenku glinu, materiał i podłoże podgrzewa się do temperatury 880 ° C ~ 905 ° C w strumieniu amoniaku w celu wytworzenia Para Zn, a następnie para Zn transportowana jest na podłoże.W procesie wzrostu trwającym 2 min ~ 10 min wygenerowano nanodruty o średnicy 2 µm ~ 10 µm i przekroju sześciokątnym.Naukowcy odkryli, że nanodrut ZnO tworzy naturalną wnękę lasera o średnicy od 20 nm do 150 nm, a większość (95%) jego średnicy wynosi od 70 nm do 100 nm.Aby zbadać stymulowaną emisję nanodrutów, naukowcy optycznie pompowali próbkę w szklarni za pomocą czwartej harmonicznej wyjściowej lasera Nd:YAG (długość fali 266 nm, szerokość impulsu 3 ns).W miarę ewolucji widma emisyjnego światło ulega osłabieniu wraz ze wzrostem mocy pompy.Gdy laser przekroczy próg nanodrutu ZnO (około 40kW/cm), w widmie emisyjnym pojawi się najwyższy punkt.Szerokość linii tych najwyższych punktów jest mniejsza niż 0,3 nm, czyli o ponad 1/50 mniej niż szerokość linii od wierzchołka emisji poniżej progu.Te wąskie szerokości linii i szybki wzrost intensywności emisji doprowadziły badaczy do wniosku, że w tych nanodrutach rzeczywiście występuje emisja wymuszona.Dlatego ten układ nanodrutów może działać jak naturalny rezonator, stając się w ten sposób idealnym źródłem mikrolasera.Naukowcy uważają, że ten nanolaser o krótkiej długości fali może znaleźć zastosowanie w obliczeniach optycznych, przechowywaniu informacji i nanoanalizatorach.
3. Lasery ze studnią kwantową
Przed i po roku 2010 szerokość linii wyrytej na chipie półprzewodnikowym osiągnie 100 nm lub mniej, a w obwodzie będzie poruszało się tylko kilka elektronów, a wzrost i spadek liczby elektronów będzie miał ogromny wpływ na działanie układu okrążenie.Aby rozwiązać ten problem, narodziły się lasery ze studnią kwantową.W mechanice kwantowej pole potencjalne, które ogranicza ruch elektronów i kwantyzuje je, nazywa się studnią kwantową.To ograniczenie kwantowe wykorzystywane jest do tworzenia poziomów energii kwantowej w warstwie aktywnej lasera półprzewodnikowego, tak że przejście elektroniczne pomiędzy poziomami energii dominuje we wzbudzonym promieniowaniu lasera, który jest laserem ze studnią kwantową.Istnieją dwa rodzaje laserów ze studnią kwantową: lasery liniowe i lasery z kropkami kwantowymi.
① Kwantowy laser liniowy
Naukowcy opracowali kwantowe lasery drutowe, które są 1000 razy silniejsze niż tradycyjne lasery, co stanowi duży krok w kierunku tworzenia szybszych komputerów i urządzeń komunikacyjnych.Laser, który może zwiększyć prędkość transmisji audio, wideo, Internetu i innych form komunikacji w sieciach światłowodowych, został opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Yale, Lucent Technologies Bell LABS w New Jersey i Instytutu Fizyki Maxa Plancka w Dreźnie, Niemcy.Te lasery o większej mocy zmniejszyłyby potrzebę stosowania drogich wzmacniaków, które są instalowane co 80 km (50 mil) wzdłuż linii komunikacyjnej, ponownie wytwarzając impulsy laserowe, które są mniej intensywne w miarę przemieszczania się przez światłowód (wzmacniacze).
Czas publikacji: 15 czerwca 2023 r