Το νανολέιζερ είναι ένα είδος μικρο- και νανο-συσκευής που κατασκευάζεται από νανοϋλικά όπως νανοσύρμα ως συντονιστής και μπορεί να εκπέμπει λέιζερ υπό φωτοδιέγερση ή ηλεκτρική διέγερση. Το μέγεθος αυτού του λέιζερ είναι συχνά μόνο εκατοντάδες μικρά ή ακόμα και δεκάδες μικρά, και η διάμετρος είναι έως και της τάξης των νανομέτρων, κάτι που αποτελεί σημαντικό μέρος της μελλοντικής οθόνης λεπτής μεμβράνης, της ολοκληρωμένης οπτικής και άλλων πεδίων.
Ταξινόμηση νανολέιζερ:
1. Λέιζερ νανοσύρματος
Το 2001, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, στο Μπέρκλεϋ, στις Ηνωμένες Πολιτείες, δημιούργησαν το μικρότερο λέιζερ στον κόσμο – νανολέιζερ – σε νανοοπτικό σύρμα, μήκους μόλις ενός χιλιοστού του μήκους μιας ανθρώπινης τρίχας. Αυτό το λέιζερ όχι μόνο εκπέμπει υπεριώδη λέιζερ, αλλά μπορεί επίσης να ρυθμιστεί ώστε να εκπέμπει λέιζερ που κυμαίνονται από μπλε έως βαθύ υπεριώδες. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν μια τυπική τεχνική που ονομάζεται προσανατολισμένη επιφύτωση για να δημιουργήσουν το λέιζερ από κρυστάλλους καθαρού οξειδίου του ψευδαργύρου. Αρχικά «καλλιέργησαν» νανοσύρματα, δηλαδή, που σχηματίστηκαν σε ένα στρώμα χρυσού με διάμετρο από 20nm έως 150nm και μήκος 10.000 nm συρμάτων καθαρού οξειδίου του ψευδαργύρου. Στη συνέχεια, όταν οι ερευνητές ενεργοποίησαν τους κρυστάλλους καθαρού οξειδίου του ψευδαργύρου στα νανοσύρματα με ένα άλλο λέιζερ κάτω από το θερμοκήπιο, οι κρύσταλλοι καθαρού οξειδίου του ψευδαργύρου εξέπεμψαν ένα λέιζερ με μήκος κύματος μόνο 17nm. Τέτοια νανολέιζερ θα μπορούσαν τελικά να χρησιμοποιηθούν για την αναγνώριση χημικών ουσιών και τη βελτίωση της χωρητικότητας αποθήκευσης πληροφοριών δίσκων υπολογιστών και φωτονικών υπολογιστών.
2. Νανολέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας
Μετά την έλευση των μικρολέιζερ, των λέιζερ μικροδίσκου, των λέιζερ μικροδακτυλίων και των λέιζερ κβαντικής χιονοστιβάδας, ο χημικός Yang Peidong και οι συνάδελφοί του στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, κατασκεύασαν νανολέιζερ σε θερμοκρασία δωματίου. Αυτό το νανολέιζερ οξειδίου του ψευδαργύρου μπορεί να εκπέμπει ένα λέιζερ με πλάτος γραμμής μικρότερο από 0,3nm και μήκος κύματος 385nm υπό διέγερση φωτός, το οποίο θεωρείται το μικρότερο λέιζερ στον κόσμο και μία από τις πρώτες πρακτικές συσκευές που κατασκευάστηκαν με νανοτεχνολογία. Στο αρχικό στάδιο ανάπτυξης, οι ερευνητές προέβλεψαν ότι αυτό το νανολέιζερ ZnO είναι εύκολο στην κατασκευή, έχει υψηλή φωτεινότητα, μικρό μέγεθος και η απόδοση είναι ίση ή και καλύτερη από τα μπλε λέιζερ GaN. Λόγω της δυνατότητας κατασκευής συστοιχιών νανοσωλήνων υψηλής πυκνότητας, τα νανολέιζερ ZnO μπορούν να εισέλθουν σε πολλές εφαρμογές που δεν είναι δυνατές με τις σημερινές συσκευές GaAs. Για την ανάπτυξη τέτοιων λέιζερ, το νανοσύρμα ZnO συντίθεται με τη μέθοδο μεταφοράς αερίου, η οποία καταλύει την επιταξιακή ανάπτυξη κρυστάλλων. Αρχικά, το υπόστρωμα από ζαφείρι επικαλύπτεται με ένα στρώμα χρυσής μεμβράνης πάχους 1 nm~3,5nm και στη συνέχεια τοποθετείται σε ένα σκάφος αλουμίνας. Το υλικό και το υπόστρωμα θερμαίνονται στους 880 °C ~905 °C σε ροή αμμωνίας για την παραγωγή ατμού Zn και στη συνέχεια ο ατμός Zn μεταφέρεται στο υπόστρωμα. Νανοσύρματα 2μm~10μm με εξαγωνική διατομή δημιουργήθηκαν στη διαδικασία ανάπτυξης διάρκειας 2min~10min. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το νανοσύρμα ZnO σχηματίζει μια φυσική κοιλότητα λέιζερ με διάμετρο 20nm έως 150nm και το μεγαλύτερο μέρος (95%) της διαμέτρου του είναι 70nm έως 100nm. Για να μελετήσουν την διεγερμένη εκπομπή των νανοσυρμάτων, οι ερευνητές αντλούν οπτικά το δείγμα σε ένα θερμοκήπιο με την τέταρτη αρμονική έξοδο ενός λέιζερ Nd:YAG (μήκος κύματος 266nm, πλάτος παλμού 3ns). Κατά την εξέλιξη του φάσματος εκπομπής, το φως ακτινοβολείται με την αύξηση της ισχύος της αντλίας. Όταν η εκπομπή λέιζερ υπερβεί το όριο του νανοσύρματος ZnO (περίπου 40kW/cm), θα εμφανιστεί το υψηλότερο σημείο στο φάσμα εκπομπής. Το πλάτος γραμμής αυτών των υψηλότερων σημείων είναι μικρότερο από 0,3nm, το οποίο είναι περισσότερο από 1/50 μικρότερο από το πλάτος γραμμής από την κορυφή εκπομπής κάτω από το όριο. Αυτά τα στενά πλάτη γραμμής και οι ραγδαίες αυξήσεις στην ένταση εκπομπής οδήγησαν τους ερευνητές στο συμπέρασμα ότι πράγματι συμβαίνει διεγερμένη εκπομπή σε αυτά τα νανοσύρματα. Επομένως, αυτή η συστοιχία νανοσυρμάτων μπορεί να λειτουργήσει ως φυσικός συντονιστής και έτσι να γίνει μια ιδανική πηγή μικρολέιζερ. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτό το νανολέιζερ μικρού μήκους κύματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί στους τομείς της οπτικής πληροφορικής, της αποθήκευσης πληροφοριών και των νανοαναλυτών.
3. Κβαντικά λέιζερ φρεατίων
Πριν και μετά το 2010, το πλάτος γραμμής που χαράσσεται στο τσιπ ημιαγωγών θα φτάνει τα 100nm ή λιγότερο, και θα υπάρχουν μόνο λίγα ηλεκτρόνια που κινούνται στο κύκλωμα, και η αύξηση και η μείωση ενός ηλεκτρονίου θα έχουν μεγάλο αντίκτυπο στη λειτουργία του κυκλώματος. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος, γεννήθηκαν τα λέιζερ κβαντικών φρεατίων. Στην κβαντομηχανική, ένα δυναμικό πεδίο που περιορίζει την κίνηση των ηλεκτρονίων και τα κβαντίζει ονομάζεται κβαντικό φρεάτιο. Αυτός ο κβαντικός περιορισμός χρησιμοποιείται για τον σχηματισμό κβαντικών ενεργειακών επιπέδων στο ενεργό στρώμα του λέιζερ ημιαγωγών, έτσι ώστε η ηλεκτρονική μετάβαση μεταξύ των ενεργειακών επιπέδων να κυριαρχεί στην διεγερμένη ακτινοβολία του λέιζερ, το οποίο είναι ένα λέιζερ κβαντικού φρεατίου. Υπάρχουν δύο τύποι λέιζερ κβαντικών φρεατίων: τα λέιζερ κβαντικής γραμμής και τα λέιζερ κβαντικών κουκκίδων.
① Κβαντικό γραμμικό λέιζερ
Επιστήμονες ανέπτυξαν κβαντικά λέιζερ καλωδίων που είναι 1.000 φορές πιο ισχυρά από τα παραδοσιακά λέιζερ, κάνοντας ένα μεγάλο βήμα προς τη δημιουργία ταχύτερων υπολογιστών και συσκευών επικοινωνίας. Το λέιζερ, το οποίο μπορεί να αυξήσει την ταχύτητα του ήχου, του βίντεο, του Διαδικτύου και άλλων μορφών επικοινωνίας μέσω δικτύων οπτικών ινών, αναπτύχθηκε από επιστήμονες του Πανεπιστημίου Yale, του Lucent Technologies Bell LABS στο Νιου Τζέρσεϊ και του Ινστιτούτου Φυσικής Max Planck στη Δρέσδη της Γερμανίας. Αυτά τα λέιζερ υψηλότερης ισχύος θα μείωναν την ανάγκη για ακριβούς επαναλήπτες, οι οποίοι εγκαθίστανται κάθε 80 χιλιόμετρα (50 μίλια) κατά μήκος της γραμμής επικοινωνίας, παράγοντας και πάλι παλμούς λέιζερ που είναι λιγότερο έντονοι καθώς ταξιδεύουν μέσα από την ίνα (Επαναλήπτες).
Ώρα δημοσίευσης: 15 Ιουνίου 2023