Nanolaser är en typ av mikro- och nanoanordning som är tillverkad av nanomaterial som nanotråd som resonator och kan avge laser under fotoexcitation eller elektrisk excitation. Storleken på denna laser är ofta bara hundratals mikron eller till och med tiotals mikron, och diametern är upp till nanometerstorlek, vilket är en viktig del av framtidens tunnfilmsdisplayer, integrerad optik och andra områden.
Klassificering av nanolaser:
1. Nanowärslaser
År 2001 skapade forskare vid University of California, Berkeley, i USA, världens minsta laser – nanolasrar – på en nanooptisk tråd som bara är en tusendel av ett mänskligt hårstrås längd. Denna laser avger inte bara ultravioletta lasrar, utan kan också justeras för att avge lasrar som sträcker sig från blått till djupt ultraviolett ljus. Forskarna använde en standardteknik som kallas orienterad epifytering för att skapa lasern från rena zinkoxidkristaller. De "odlade" först nanotrådar, det vill säga formade på ett guldlager med en diameter på 20 nm till 150 nm och en längd på 10 000 nm rena zinkoxidtrådar. När forskarna sedan aktiverade de rena zinkoxidkristallerna i nanotrådarna med en annan laser under växthuset, avgav de rena zinkoxidkristallerna en laser med en våglängd på endast 17 nm. Sådana nanolasrar skulle så småningom kunna användas för att identifiera kemikalier och förbättra informationslagringskapaciteten hos datordiskar och fotoniska datorer.
2. Ultraviolett nanolaser
Efter tillkomsten av mikrolasrar, mikrodisklasrar, mikroringlasrar och kvantlavinlasrar tillverkade kemisten Yang Peidong och hans kollegor vid University of California, Berkeley, nanolaser i rumstemperatur. Denna zinkoxid-nanolaser kan avge en laser med en linjebredd på mindre än 0,3 nm och en våglängd på 385 nm under ljusexcitering, vilket anses vara den minsta lasern i världen och en av de första praktiska anordningarna som tillverkats med nanoteknik. I det inledande utvecklingsstadiet förutspådde forskarna att denna ZnO-nanolaser är enkel att tillverka, har hög ljusstyrka, är liten i storlek och att prestandan är lika med eller till och med bättre än GaN-blålasrar. På grund av möjligheten att tillverka nanotrådsmatriser med hög densitet kan ZnO-nanolasrar användas i många tillämpningar som inte är möjliga med dagens GaAs-anordningar. För att odla sådana lasrar syntetiseras ZnO-nanotråd med gastransportmetoden som katalyserar epitaxiell kristalltillväxt. Först beläggs safirsubstratet med ett lager av 1 nm~3,5 nm tjock guldfilm, och sedan placeras det på en aluminiumoxidbåt. Materialet och substratet värms upp till 880 °C ~ 905 °C i ammoniakflödet för att producera Zn-ånga, och sedan transporteras Zn-ångan till substratet. Nanotrådar på 2 μm~10 μm med hexagonal tvärsnittsarea genererades under en tillväxtprocess på 2 min~10 min. Forskarna fann att ZnO-nanotråden bildar en naturlig laserkavitet med en diameter på 20 nm till 150 nm, och att större delen (95%) av dess diameter är 70 nm till 100 nm. För att studera stimulerad emission från nanotrådarna pumpade forskarna provet optiskt i ett växthus med den fjärde harmoniska utsignalen från en Nd:YAG-laser (266 nm våglängd, 3 ns pulsbredd). Under utvecklingen av emissionsspektrumet förminskas ljuset med ökningen av pumpeffekten. När lasringen överstiger tröskelvärdet för ZnO-nanotråden (cirka 40 kW/cm²), kommer den högsta punkten att synas i emissionsspektrumet. Linjebredden för dessa högsta punkter är mindre än 0,3 nm, vilket är mer än 1/50 mindre än linjebredden från emissionshörnet under tröskelvärdet. Dessa smala linjebredder och snabba ökningar av emissionsintensiteten ledde forskarna till slutsatsen att stimulerad emission faktiskt förekommer i dessa nanotrådar. Därför kan denna nanotrådsuppsättning fungera som en naturlig resonator och därmed bli en idealisk mikrolaserkälla. Forskarna tror att denna kortvågiga nanolaser kan användas inom områdena optisk databehandling, informationslagring och nanoanalysator.
3. Kvantbrunnslasrar
Före och efter 2010 kommer linjebredden som etsas på halvledarchip att nå 100 nm eller mindre, och det kommer bara att finnas ett fåtal elektroner som rör sig i kretsen, och ökningen och minskningen av en elektron kommer att ha stor inverkan på kretsens funktion. För att lösa detta problem föddes kvantbrunnslasrar. Inom kvantmekaniken kallas ett potentiellt fält som begränsar elektronernas rörelse och kvantiserar dem för en kvantbrunn. Denna kvantbegränsning används för att bilda kvantenerginivåer i det aktiva lagret av halvledarlasern, så att den elektroniska övergången mellan energinivåerna dominerar den exciterade strålningen från lasern, som är en kvantbrunnslaser. Det finns två typer av kvantbrunnslasrar: kvantlinjelasrar och kvantpunktlasrar.
① Kvantlinjelaser
Forskare har utvecklat kvanttrådslasrar som är 1 000 gånger kraftfullare än traditionella lasrar, vilket tar ett stort steg mot att skapa snabbare datorer och kommunikationsenheter. Lasern, som kan öka hastigheten på ljud, video, internet och andra former av kommunikation över fiberoptiska nätverk, utvecklades av forskare vid Yale University, Lucent Technologies Bell LABS i New Jersey och Max Planck Institute for Physics i Dresden, Tyskland. Dessa högpresterande lasrar skulle minska behovet av dyra repeatrar, som installeras var 80:e km längs kommunikationslinjen, vilket återigen producerar laserpulser som är mindre intensiva när de färdas genom fibern (repeatrar).
Publiceringstid: 15 juni 2023