Nanolaser is een soort micro- en nano-apparaat dat is gemaakt van nanomaterialen zoals nanodraad als resonator en laser kan uitzenden onder foto-excitatie of elektrische excitatie. De grootte van deze laser bedraagt vaak slechts honderden microns of zelfs tientallen microns, en de diameter reikt tot in de orde van nanometers, wat een belangrijk onderdeel is van de toekomstige dunnefilmweergave, geïntegreerde optica en andere velden.
Classificatie van nanolaser:
1. Nanodraadlaser
In 2001 creëerden onderzoekers van de University of California, Berkeley, in de Verenigde Staten, 's werelds kleinste laser – nanolasers – op de nano-optische draad, slechts een duizendste van de lengte van een mensenhaar. Deze laser zendt niet alleen ultraviolette lasers uit, maar kan ook worden afgestemd om lasers uit te zenden variërend van blauw tot diep ultraviolet. De onderzoekers gebruikten een standaardtechniek genaamd georiënteerde epifytatie om de laser te creëren uit pure zinkoxidekristallen. Ze ‘kweekten’ eerst nanodraden, dat wil zeggen gevormd op een goudlaag met een diameter van 20 nm tot 150 nm en een lengte van 10.000 nm zuivere zinkoxidedraden. Toen de onderzoekers vervolgens de zuivere zinkoxidekristallen in de nanodraden activeerden met een andere laser onder de kas, zonden de zuivere zinkoxidekristallen een laser uit met een golflengte van slechts 17 nm. Dergelijke nanolasers zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt om chemicaliën te identificeren en de informatieopslagcapaciteit van computerschijven en fotonische computers te verbeteren.
2. Ultraviolette nanolaser
Na de komst van microlasers, microschijflasers, microringlasers en kwantumlawinelasers, maakten scheikundige Yang Peidong en zijn collega's van de Universiteit van Californië, Berkeley, nanolasers op kamertemperatuur. Deze zinkoxide-nanolaser kan onder lichtexcitatie een laser uitzenden met een lijnbreedte van minder dan 0,3 nm en een golflengte van 385 nm, wat wordt beschouwd als de kleinste laser ter wereld en een van de eerste praktische apparaten die met behulp van nanotechnologie zijn vervaardigd. In de beginfase van de ontwikkeling voorspelden de onderzoekers dat deze ZnO-nanolaser eenvoudig te vervaardigen is, een hoge helderheid heeft, klein is en dat de prestaties gelijk zijn aan of zelfs beter dan GaN-blauwe lasers. Vanwege het vermogen om nanodraadarrays met hoge dichtheid te maken, kunnen ZnO-nanolasers in veel toepassingen worden toegepast die niet mogelijk zijn met de huidige GaAs-apparaten. Om dergelijke lasers te laten groeien, wordt ZnO-nanodraad gesynthetiseerd door middel van een gastransportmethode die epitaxiale kristalgroei katalyseert. Eerst wordt het saffiersubstraat bedekt met een laag van 1 nm ~ 3,5 nm dikke goudfilm en vervolgens op een aluminiumoxideboot geplaatst. Het materiaal en het substraat worden in de ammoniakstroom verwarmd tot 880 ° C ~ 905 ° C om te produceren Zn-stoom, waarna de Zn-stoom naar het substraat wordt getransporteerd. Nanodraden van 2 μm ~ 10 μm met een hexagonaal dwarsdoorsnedeoppervlak werden gegenereerd tijdens het groeiproces van 2 minuten ~ 10 minuten. De onderzoekers ontdekten dat ZnO-nanodraad een natuurlijke laserholte vormt met een diameter van 20 nm tot 150 nm, en het grootste deel (95%) van de diameter bedraagt 70 nm tot 100 nm. Om de gestimuleerde emissie van de nanodraden te bestuderen, pompten de onderzoekers het monster optisch in een kas met de vierde harmonische output van een Nd:YAG-laser (266 nm golflengte, 3ns pulsbreedte). Tijdens de evolutie van het emissiespectrum wordt het licht verlamd door de toename van het pompvermogen. Wanneer de laserwerking de drempel van ZnO-nanodraden overschrijdt (ongeveer 40 kW/cm), zal het hoogste punt in het emissiespectrum verschijnen. De lijnbreedte van deze hoogste punten is minder dan 0,3 nm, wat meer dan 1/50 minder is dan de lijnbreedte vanaf het emissiehoekpunt onder de drempel. Deze smalle lijnbreedtes en snelle toename van de emissie-intensiteit brachten de onderzoekers tot de conclusie dat gestimuleerde emissie inderdaad voorkomt in deze nanodraden. Daarom kan deze nanodraadarray fungeren als een natuurlijke resonator en zo een ideale microlaserbron worden. De onderzoekers zijn van mening dat deze nanolaser met korte golflengte kan worden gebruikt op het gebied van optisch computergebruik, informatieopslag en nanoanalyzer.
3. Kwantumputlasers
Voor en na 2010 zal de lijnbreedte die op de halfgeleiderchip is geëtst 100 nm of minder bereiken, en zullen er slechts een paar elektronen in het circuit bewegen, en de toename en afname van een elektron zal een grote impact hebben op de werking van de chip. circuit. Om dit probleem op te lossen werden kwantumbronlasers geboren. In de kwantummechanica wordt een potentieel veld dat de beweging van elektronen beperkt en kwantiseert een kwantumput genoemd. Deze kwantumbeperking wordt gebruikt om kwantumenergieniveaus te vormen in de actieve laag van de halfgeleiderlaser, zodat de elektronische overgang tussen de energieniveaus de aangeslagen straling van de laser, die een kwantumbronlaser is, domineert. Er zijn twee soorten kwantumbronlasers: kwantumlijnlasers en kwantumdotlasers.
① Kwantumlijnlaser
Wetenschappers hebben kwantumdraadlasers ontwikkeld die duizend keer krachtiger zijn dan traditionele lasers, waarmee ze een grote stap zetten in de richting van snellere computers en communicatieapparatuur. De laser, die de snelheid van audio, video, internet en andere vormen van communicatie via glasvezelnetwerken kan verhogen, is ontwikkeld door wetenschappers van Yale University, Lucent Technologies Bell LABS in New Jersey en het Max Planck Institute for Physics in Dresden. Duitsland. Deze lasers met een hoger vermogen zouden de behoefte aan dure repeaters verminderen, die elke 80 km (50 mijl) langs de communicatielijn worden geïnstalleerd, en opnieuw laserpulsen produceren die minder intens zijn als ze door de vezel reizen (repeaters).
Posttijd: 15 juni 2023