Nanolaserul este un tip de micro- și nanodispozitiv fabricat din nanomateriale precum nanofirele ca rezonator și care poate emite laser sub fotoexcitație sau excitație electrică. Dimensiunea acestui laser este adesea de doar sute de microni sau chiar zeci de microni, iar diametrul este de ordinul nanometrilor, ceea ce reprezintă o parte importantă a viitorului afișaj cu peliculă subțire, a opticii integrate și a altor domenii.
Clasificarea nanolaserelor:
1. Laser cu nanofire
În 2001, cercetătorii de la Universitatea din California, Berkeley, din Statele Unite, au creat cel mai mic laser din lume – nanolasere – pe un fir nanooptic de doar o miime din lungimea unui fir de păr uman. Acest laser nu numai că emite lasere ultraviolete, dar poate fi și reglat să emită lasere de la albastru la ultraviolet profund. Cercetătorii au folosit o tehnică standard numită epifitare orientată pentru a crea laserul din cristale pure de oxid de zinc. Mai întâi au „cultivat” nanofire, adică au format fire pure de oxid de zinc pe un strat de aur cu un diametru de 20 nm până la 150 nm și o lungime de 10.000 nm. Apoi, când cercetătorii au activat cristalele pure de oxid de zinc din nanofire cu un alt laser sub seră, cristalele pure de oxid de zinc au emis un laser cu o lungime de undă de doar 17 nm. Astfel de nanolasere ar putea fi utilizate în cele din urmă pentru a identifica substanțele chimice și a îmbunătăți capacitatea de stocare a informațiilor pe discurile de computer și computerele fotonice.
2. Nanolaser ultraviolet
După apariția micro-laserelor, a laserelor cu micro-disc, a laserelor cu micro-inele și a laserelor cu avalanșă cuantică, chimistul Yang Peidong și colegii săi de la Universitatea din California, Berkeley, au realizat nanolasere la temperatura camerei. Acest nanolaser cu oxid de zinc poate emite un laser cu o lățime de linie mai mică de 0,3 nm și o lungime de undă de 385 nm sub excitație luminoasă, fiind considerat a fi cel mai mic laser din lume și unul dintre primele dispozitive practice fabricate folosind nanotehnologia. În stadiul inițial de dezvoltare, cercetătorii au prezis că acest nanolaser ZnO este ușor de fabricat, are luminozitate ridicată, dimensiuni reduse și performanțe egale sau chiar superioare laserelor albastre GaN. Datorită capacității de a realiza rețele de nanofire de înaltă densitate, nanolaserele ZnO pot intra în multe aplicații care nu sunt posibile cu dispozitivele GaAs de astăzi. Pentru a dezvolta astfel de lasere, nanofirele de ZnO sunt sintetizate prin metoda transportului de gaze, care catalizează creșterea epitaxială a cristalelor. Mai întâi, substratul de safir este acoperit cu un strat de peliculă de aur cu grosimea de 1 nm ~ 3,5 nm, apoi este plasat pe o barcă de alumină. Materialul și substratul sunt încălzite la 880 °C ~ 905 °C într-un flux de amoniac pentru a produce abur de Zn, iar apoi aburul de Zn este transportat către substrat. În procesul de creștere de 2 min ~ 10 min au fost generate nanofire cu dimensiuni de 2 μm ~ 10 μm cu o secțiune transversală hexagonală. Cercetătorii au descoperit că nanofirele de ZnO formează o cavitate laser naturală cu un diametru de 20 nm până la 150 nm, iar cea mai mare parte (95%) a diametrului lor este de 70 nm până la 100 nm. Pentru a studia emisia stimulată a nanofirelor, cercetătorii au pompat optic proba într-o seră cu ieșirea a patra armonică a unui laser Nd:YAG (lungime de undă de 266 nm, lățime a impulsului de 3 ns). Pe parcursul evoluției spectrului de emisie, lumina este blocată odată cu creșterea puterii pompei. Când efectul laser depășește pragul nanofirelor de ZnO (aproximativ 40 kW/cm), cel mai înalt punct va apărea în spectrul de emisie. Lățimea liniei acestor puncte cele mai înalte este mai mică de 0,3 nm, ceea ce este cu mai mult de 1/50 mai mică decât lățimea liniei de la vârful de emisie sub prag. Aceste lățimi înguste ale liniei și creșterile rapide ale intensității emisiei i-au determinat pe cercetători să concluzioneze că emisia stimulată are loc într-adevăr în aceste nanofire. Prin urmare, această rețea de nanofire poate acționa ca un rezonator natural și poate deveni astfel o sursă ideală de microlaser. Cercetătorii consideră că acest nanolaser cu lungime de undă scurtă poate fi utilizat în domeniile calculului optic, stocării informațiilor și nanoanalizatorului.
3. Lasere cu sondă cuantică
Înainte și după 2010, lățimea liniei gravate pe cipul semiconductor va ajunge la 100 nm sau mai puțin, iar în circuit vor exista doar câțiva electroni care se vor mișca, iar creșterea și descreșterea unui electron va avea un impact mare asupra funcționării circuitului. Pentru a rezolva această problemă, au apărut laserele cu sondă cuantică. În mecanica cuantică, un câmp de potențial care constrânge mișcarea electronilor și îi cuantizează se numește sondă cuantică. Această constrângere cuantică este utilizată pentru a forma niveluri de energie cuantică în stratul activ al laserului semiconductor, astfel încât tranziția electronică dintre nivelurile de energie să domine radiația excitată a laserului, care este un laser cu sondă cuantică. Există două tipuri de lasere cu sondă cuantică: lasere cu linii cuantice și lasere cu puncte cuantice.
① Laser liniar cuantic
Oamenii de știință au dezvoltat lasere cuantice cu fir care sunt de 1.000 de ori mai puternice decât laserele tradiționale, făcând un pas important către crearea de computere și dispozitive de comunicații mai rapide. Laserul, care poate crește viteza audio, video, internet și a altor forme de comunicare prin rețele de fibră optică, a fost dezvoltat de oamenii de știință de la Universitatea Yale, Lucent Technologies Bell LABS din New Jersey și Institutul Max Planck pentru Fizică din Dresda, Germania. Aceste lasere de putere mai mare ar reduce nevoia de repetoare costisitoare, care sunt instalate la fiecare 80 km (50 mile) de-a lungul liniei de comunicații, producând din nou impulsuri laser mai puțin intense pe măsură ce se deplasează prin fibră (repetoare).
Data publicării: 15 iunie 2023