Нанолазер — это микро- и наноустройство, изготовленное из наноматериалов, таких как нанопроволоки, в качестве резонатора, способное излучать лазерный луч под действием фотовозбуждения или электрического возбуждения. Размер таких лазеров часто составляет всего несколько сотен или даже десятков микрон, а диаметр достигает нанометрового порядка, что делает их важной частью перспективных тонкопленочных дисплеев, интегральной оптики и других областей.
Классификация нанолазеров:
1. Нанопроволочный лазер
В 2001 году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли (США) создали самый маленький в мире лазер — нанолазер — на нанооптической проволоке, длина которой составляла всего одну тысячную длины человеческого волоса. Этот лазер не только излучает ультрафиолетовое излучение, но и может быть настроен на излучение в диапазоне от синего до глубокого ультрафиолета. Для создания лазера из чистых кристаллов оксида цинка исследователи использовали стандартную методику, называемую ориентированной эпифитацией. Сначала они «выращивали» нанопроволоки, то есть формировали их на золотом слое, используя чистые кристаллы оксида цинка диаметром от 20 до 150 нм и длиной 10 000 нм. Затем, когда исследователи активировали чистые кристаллы оксида цинка в нанопроволоках другим лазером в теплице, чистые кристаллы оксида цинка излучали лазерное излучение с длиной волны всего 17 нм. Такие нанолазеры в конечном итоге могут быть использованы для идентификации химических веществ и повышения емкости хранения информации на компьютерных дисках и фотонных компьютерах.
2. Ультрафиолетовый нанолазер
После появления микролазеров, микродисковых лазеров, микрокольцевых лазеров и квантовых лавинных лазеров химик Ян Пэйдун и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли создали нанолазеры, работающие при комнатной температуре. Этот нанолазер на основе оксида цинка способен излучать лазерное излучение с шириной линии менее 0,3 нм и длиной волны 385 нм при световом возбуждении, что делает его самым маленьким лазером в мире и одним из первых практических устройств, созданных с использованием нанотехнологий. На начальном этапе разработки исследователи предсказывали, что этот нанолазер на основе ZnO будет прост в изготовлении, будет обладать высокой яркостью, малыми размерами, а его характеристики будут равны или даже превосходят характеристики синих лазеров на основе GaN. Благодаря возможности создания массивов нанопроволок высокой плотности, нанолазеры на основе ZnO могут найти применение во многих областях, недоступных для современных устройств на основе GaAs. Для выращивания таких лазеров нанопроволоки ZnO синтезируются методом газотранспорта, который катализирует эпитаксиальный рост кристаллов. Сначала сапфировая подложка покрывается слоем золотой пленки толщиной 1–3,5 нм, затем помещается на алюминиевую лодочку, материал и подложка нагреваются до 880–905 °C в потоке аммиака для образования пара цинка, после чего пар цинка подается на подложку. В процессе роста, занимающем 2–10 минут, были получены нанопроволоки размером 2–10 мкм с гексагональным поперечным сечением. Исследователи обнаружили, что нанопроволока ZnO образует естественный лазерный резонатор диаметром от 20 до 150 нм, причем большая часть (95%) ее диаметра составляет от 70 до 100 нм. Для изучения стимулированного излучения нанопроволок исследователи оптически накачивали образец в теплице излучением четвертой гармоники Nd:YAG лазера (длина волны 266 нм, ширина импульса 3 нс). В процессе эволюции спектра излучения интенсивность света уменьшается с увеличением мощности накачки. Когда интенсивность лазерного излучения превышает пороговое значение для нанопроволок ZnO (около 40 кВт/см), в спектре излучения появляется самая высокая точка. Ширина линии в этих самых высоких точках составляет менее 0,3 нм, что более чем в 50 раз меньше ширины линии от вершины излучения ниже порогового значения. Эти узкие линии и быстрое увеличение интенсивности излучения позволили исследователям сделать вывод о том, что в этих нанопроволоках действительно происходит стимулированное излучение. Следовательно, этот массив нанопроволок может действовать как естественный резонатор и, таким образом, стать идеальным источником микролазерного излучения. Исследователи считают, что этот коротковолновый нанолазер может быть использован в областях оптических вычислений, хранения информации и наноанализаторов.
3. Квантово-ямочные лазеры
До и после 2010 года ширина линии, вытравленной на полупроводниковом чипе, достигала 100 нм или меньше, и в цепи двигалось лишь небольшое количество электронов, а увеличение или уменьшение количества электронов оказывало значительное влияние на работу цепи. Для решения этой проблемы были созданы лазеры на квантовых ямах. В квантовой механике потенциальное поле, которое ограничивает движение электронов и квантует их, называется квантовой ямой. Это квантовое ограничение используется для формирования квантовых энергетических уровней в активном слое полупроводникового лазера, так что электронный переход между энергетическими уровнями доминирует в возбужденном излучении лазера, что и представляет собой лазер на квантовых ямах. Существует два типа лазеров на квантовых ямах: лазеры с квантовыми линиями и лазеры на квантовых точках.
① Квантово-линейный лазер
Ученые разработали лазеры на основе квантовых проводов, которые в 1000 раз мощнее традиционных лазеров, что является большим шагом на пути к созданию более быстрых компьютеров и устройств связи. Лазер, способный увеличить скорость передачи аудио, видео, интернета и других видов связи по волоконно-оптическим сетям, был разработан учеными из Йельского университета, компании Lucent Technologies Bell LABS в Нью-Джерси и Института физики им. Макса Планка в Дрездене, Германия. Эти более мощные лазеры позволят сократить потребность в дорогостоящих ретрансляторах, которые устанавливаются каждые 80 км (50 миль) вдоль линии связи, и которые, в свою очередь, производят лазерные импульсы меньшей интенсивности по мере их распространения по волокну (ретрансляторы).
Дата публикации: 15 июня 2023 г.