Nanolaser er en type mikro- og nanoenhet som er laget av nanomaterialer som nanotråd som resonator, og som kan sende ut laser under fotoeksitasjon eller elektrisk eksitasjon. Størrelsen på denne laseren er ofte bare hundrevis av mikron eller til og med titalls mikron, og diameteren er opptil nanometerstørrelse, noe som er en viktig del av fremtidens tynnfilmskjermer, integrert optikk og andre felt.
Klassifisering av nanolaser:
1. Nanowire-laser
I 2001 skapte forskere ved University of California, Berkeley i USA, verdens minste laser – nanolasere – på en nanooptisk ledning som bare var en tusendel av lengden på et menneskehår. Denne laseren sender ikke bare ut ultrafiolette lasere, men kan også stilles inn til å sende ut lasere som spenner fra blått til dypt ultrafiolett. Forskerne brukte en standardteknikk kalt orientert epifytering for å lage laseren fra rene sinkoksidkrystaller. De «dyrket» først nanotråder, det vil si dannet på et gulllag med en diameter på 20 nm til 150 nm og en lengde på 10 000 nm av rene sinkoksidtråder. Da forskerne deretter aktiverte de rene sinkoksidkrystallene i nanotrådene med en annen laser under drivhuset, sendte de rene sinkoksidkrystallene ut en laser med en bølgelengde på bare 17 nm. Slike nanolasere kunne etter hvert brukes til å identifisere kjemikalier og forbedre informasjonslagringskapasiteten til datadisker og fotoniske datamaskiner.
2. Ultrafiolett nanolaser
Etter fremveksten av mikrolasere, mikrodisklasere, mikroringlasere og kvanteskredlasere, laget kjemikeren Yang Peidong og kollegene hans ved University of California, Berkeley, nanolaser ved romtemperatur. Denne sinkoksid-nanolaseren kan sende ut en laser med en linjebredde på mindre enn 0,3 nm og en bølgelengde på 385 nm under lyseksitasjon, som regnes som den minste laseren i verden og en av de første praktiske enhetene produsert ved hjelp av nanoteknologi. I den innledende fasen av utviklingen spådde forskerne at denne ZnO-nanolaseren er enkel å produsere, har høy lysstyrke, er liten i størrelse, og at ytelsen er lik eller enda bedre enn GaN-blålasere. På grunn av evnen til å lage nanotrådmatriser med høy tetthet, kan ZnO-nanolasere brukes i mange applikasjoner som ikke er mulige med dagens GaAs-enheter. For å dyrke slike lasere syntetiseres ZnO-nanotråd ved hjelp av gasstransportmetoden som katalyserer epitaksial krystallvekst. Først belegges safirsubstratet med et lag med 1 nm~3,5 nm tykk gullfilm, og deretter legges det på en aluminabåt. Materialet og substratet varmes opp til 880 °C ~ 905 °C i ammoniakkstrømmen for å produsere Zn-damp, og deretter transporteres Zn-dampen til substratet. Nanotråder på 2μm~10μm med sekskantet tverrsnittsareal ble generert i en vekstprosess på 2min~10min. Forskerne fant at ZnO-nanotråden danner et naturlig laserhulrom med en diameter på 20nm til 150nm, og mesteparten (95%) av diameteren er 70nm til 100nm. For å studere stimulert emisjon av nanotrådene, pumpet forskerne prøven optisk i et drivhus med den fjerde harmoniske utgangen fra en Nd:YAG-laser (266nm bølgelengde, 3ns pulsbredde). Under utviklingen av emisjonsspekteret reduseres lyset med økningen av pumpeeffekten. Når laseringen overstiger terskelen til ZnO-nanotråden (omtrent 40 kW/cm²), vil det høyeste punktet vises i emisjonsspekteret. Linjebredden til disse høyeste punktene er mindre enn 0,3 nm, som er mer enn 1/50 mindre enn linjebredden fra emisjonshjørnet under terskelen. Disse smale linjebreddene og den raske økningen i emisjonsintensitet førte til at forskerne konkluderte med at stimulert emisjon faktisk forekommer i disse nanotrådene. Derfor kan denne nanotrådmatrisen fungere som en naturlig resonator og dermed bli en ideell mikrolaserkilde. Forskerne mener at denne kortbølgede nanolaseren kan brukes innen optisk databehandling, informasjonslagring og nanoanalysator.
3. Kvantebrønnlasere
Før og etter 2010 vil linjebredden som er etset på halvlederbrikken nå 100 nm eller mindre, og det vil bare være noen få elektroner som beveger seg i kretsen, og økningen og reduksjonen av et elektron vil ha stor innvirkning på kretsens drift. For å løse dette problemet ble kvantebrønnlasere født. I kvantemekanikk kalles et potensialfelt som begrenser bevegelsen til elektroner og kvantiserer dem en kvantebrønn. Denne kvantebegrensningen brukes til å danne kvanteenerginivåer i det aktive laget av halvlederlaseren, slik at den elektroniske overgangen mellom energinivåene dominerer den eksiterte strålingen fra laseren, som er en kvantebrønnlaser. Det finnes to typer kvantebrønnlasere: kvantelinjelasere og kvantepunktlasere.
① Kvantelinjelaser
Forskere har utviklet kvantetrådlasere som er 1000 ganger kraftigere enn tradisjonelle lasere, og tar dermed et stort skritt mot å lage raskere datamaskiner og kommunikasjonsenheter. Laseren, som kan øke hastigheten på lyd, video, internett og andre former for kommunikasjon over fiberoptiske nettverk, ble utviklet av forskere ved Yale University, Lucent Technologies Bell LABS i New Jersey og Max Planck Institute for Physics i Dresden, Tyskland. Disse laserne med høyere effekt vil redusere behovet for dyre repeatere, som installeres hver 80 km (50 miles) langs kommunikasjonslinjen, og igjen produsere laserpulser som er mindre intense når de beveger seg gjennom fiberen (repeatere).
Publisert: 15. juni 2023