Нанолазер — это тип микро- и наноустройства, изготовленного из наноматериалов, таких как нанопроволока, в качестве резонатора, и способного генерировать лазерное излучение при фото- или электрическом возбуждении. Размеры такого лазера часто составляют всего сотни или даже десятки микрометров, а диаметр — порядка нанометра, что является важной частью будущих тонкоплёночных 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 длиной всего в 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. Исследователи использовали стандартную технологию, называемую ориентированной эпифитацией, для создания лазера из чистых кристаллов оксида цинка. Сначала они «вырастили» нанопроволоки, то есть сформировали на слое золота проволоку из чистого оксида цинка диаметром от 20 до 150 нм и длиной 10 000 нм. Затем, когда исследователи активировали кристаллы чистого оксида цинка в нанопроволоках другим лазером под теплицей, кристаллы чистого оксида цинка испустили 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 может излучать лазер с шириной линии менее 0,3 нм и длиной волны 385 нм при световом возбуждении, что считается самым маленьким лазером в мире и одним из первых практических устройств, изготовленных 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 и производительностью, равной или даже превосходящей синие лазеры на основе GaN. Благодаря возможности создания массивов нанопроволок высокой плотности, нанолазеры на основе ZnO могут найти множество применений, которые невозможны для современных устройств на основе GaAs. Для выращивания таких лазеров нанопроволока ZnO синтезируется методом газотранспорта, который катализирует эпитаксиальный рост кристалла. Сначала сапфировая подложка покрывается слоем золотой пленки толщиной 1 нм ~ 3,5 нм, а затем помещается на алюминиевую лодочку, материал и подложка нагреваются до 880 ° C ~ 905 ° C в потоке аммиака для получения пара Zn, а затем пар Zn транспортируется к подложке. Нанопроволоки размером 2 мкм ~ 10 мкм с гексагональной площадью поперечного сечения были получены в процессе роста 2 мин ~ 10 мин. Исследователи обнаружили, что нанопроволока ZnO образует естественный лазерный резонатор диаметром от 20 нм до 150 нм, и большая часть (95%) ее диаметра составляет 70 нм до 100 нм. Чтобы изучить стимулированное излучение нанопроволок, исследователи оптически накачивали образец в теплице с помощью четвертой гармоники на выходе Nd:YAG-лазера (длина волны 266 нм, ширина импульса 3 нс). В процессе эволюции спектра излучения свет ослабевает с увеличением мощности накачки. Когда лазерная генерация превышает пороговое значение для нанопроволок ZnO (около 40 кВт/см2), в спектре излучения появляется самая высокая точка. Ширина линии этих самых высоких точек составляет менее 0,3 нм, что более чем на 1/50 меньше ширины линии от вершины излучения ниже порога. Эти узкие ширины линий и быстрое увеличение интенсивности излучения привели исследователей к выводу, что в этих нанопроволоках действительно происходит вынужденное излучение. Следовательно, этот массив нанопроволок может действовать как естественный резонатор и, таким образом, стать идеальным источником микролазера. Исследователи полагают, что этот коротковолновый нанолазер может быть использован в областях оптических вычислений, хранения информации и наноанализаторов.
3. Лазеры на квантовых ямах
До и после 2010 года ширина линии, вытравленной на полупроводниковом кристалле, достигала 100 нм или менее, и в цепи перемещалось всего несколько электронов, а увеличение или уменьшение количества электронов оказывало большое влияние на работу схемы. 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 уровней энергии в активном слое полупроводникового лазера, так что электронный переход между уровнями энергии доминирует в возбуждаемом излучении лазера, который является лазером на квантовых ямах. Существует два типа лазеров на квантовых ямах: лазеры на квантовых линиях и лазеры на квантовых точках.
① Квантовый линейный лазер
Ученые разработали квантовые проводные лазеры, которые в 1000 раз мощнее традиционных лазеров, что является важным шагом на пути к созданию более быстрых компьютеров и устройств связи. Этот лазер, способный увеличить скорость передачи аудио, видео, интернета и других видов связи по оптоволоконным сетям, был разработан учеными из Йельского университета, лаборатории Bell LABS компании Lucent Technologies в Нью-Джерси и Института физики Общества 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, создавая лазерные импульсы меньшей интенсивности по мере прохождения по оптоволокну (ретрансляторы).
Время публикации: 15 июня 2023 г.