Нанолазер — это своего рода микро- и наноустройство, которое изготовлено из наноматериалов, таких как нанопроволока в качестве резонатора и может испускать лазер при фотовозбуждении или электрическом возбуждении. Размер этого лазера часто составляет всего сотни микрометров или даже десятки микрометров, а диаметр достигает порядка нанометра, что является важной частью будущего тонкопленочного дисплея, интегрированной 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 — нанолазеры — на нанооптической проволоке длиной всего в одну тысячную часть длины человеческого волоса. Этот лазер не только излучает ультрафиолетовые лазеры, но и может быть настроен на излучение лазеров в диапазоне от синего до глубокого ультрафиолета. Исследователи использовали стандартную технику, называемую ориентированной эпифитацией, для создания лазера из чистых кристаллов оксида цинка. Сначала они «вырастили» нанопроволоки, то есть сформировали на слое золота с диаметром от 20 нм до 150 нм и длиной 10 000 нм чистые проволоки оксида цинка. Затем, когда исследователи активировали чистые кристаллы оксида цинка в нанопроволоках другим лазером под теплицей, чистые кристаллы оксида цинка излучали лазер с длиной волны всего 17 нм. Такие нанолазеры в конечном итоге можно было бы использовать для идентификации химических веществ и улучшения емкости хранения информации компьютерных дисков и фотонных компьютеров.
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 предсказали, что этот нанолазер на основе ZnO прост в изготовлении, имеет высокую яркость, малый размер и производительность, равную или даже превосходящую синие лазеры на основе GaN. Благодаря способности создавать массивы нанопроволок высокой плотности, нанолазеры на основе ZnO могут найти множество применений, которые невозможны с помощью современных устройств на основе GaAs. Для выращивания таких лазеров нанопроволока на основе ZnO синтезируется методом транспортировки газа, 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 в течение 2 мин ~ 10 мин. Исследователи обнаружили, что нанопроволока ZnO образует естественную лазерную полость диаметром от 20 нм до 150 нм, и большая часть (95%) ее диаметра составляет от 70 нм до 100 нм. Для изучения стимулированного излучения нанопроволок исследователи оптически накачивали образец в теплице с помощью четвертой гармоники на выходе лазера Nd:YAG (длина волны 266 нм, ширина импульса 3 нс). В ходе эволюции спектра излучения свет ослабевает с увеличением мощности накачки. Когда лазерная генерация превышает порог нанопроволоки 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 стимулированное излучение действительно происходит в этих нанопроволоках. Следовательно, этот массив нанопроволок может действовать как естественный резонатор и, таким образом, стать идеальным источником микролазера. Исследователи полагают, что этот коротковолновый нанолазер может использоваться в областях оптических вычислений, хранения информации и наноанализатора.
3. Лазеры на квантовых ямах
До и после 2010 года ширина линии, вытравленной на полупроводниковом кристалле, достигнет 100 нм или меньше, и в цепи будет двигаться всего несколько электронов, а увеличение и уменьшение электрона будет иметь большое влияние на работу цепи. Для решения этой проблемы родились лазеры с квантовыми ямами. 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 над возбужденным излучением лазера, который является лазером с квантовыми ямами. Существует два типа лазеров с квантовыми ямами: квантовые линейные лазеры и лазеры с квантовыми точками.
① Квантовый линейный лазер
Ученые разработали квантовые проводные лазеры, которые в 1000 раз мощнее традиционных лазеров, сделав большой шаг к созданию более быстрых компьютеров и коммуникационных устройств. Лазер, который может увеличить скорость аудио, видео, Интернета и других форм связи по оптоволоконным сетям, был разработан учеными Йельского университета, Lucent Technologies Bell LABS в Нью-Джерси и Института физики Макса Планка в Дрездене, Германия. Эти более мощные лазеры снизят потребность в дорогих повторителях, которые устанавливаются каждые 80 км (50 миль) вдоль линии связи, снова производя лазерные импульсы, которые становятся менее интенсивными по мере их прохождения по волокну (повторители).
Время публикации: 15 июня 2023 г.