Nanolasers zijn micro- en nano-apparaten die zijn gemaakt van nanomaterialen zoals nanodraden als resonator en die laserstraling kunnen uitzenden onder foto-excitatie of elektrische excitatie. De afmetingen van deze lasers zijn vaak slechts enkele honderden of zelfs tientallen micrometers, en de diameter kan oplopen tot in de nanometerorde. Dit is een belangrijk onderdeel van de toekomstige dunnefilmdisplays, geïntegreerde optica en andere toepassingen.
Classificatie van nanolaser:
1. Nanodraadlaser
In 2001 creëerden onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, in de Verenigde Staten 's werelds kleinste laser – nanolasers – op een nano-optische draad van slechts een duizendste van de lengte van een menselijke haar. Deze laser zendt niet alleen ultraviolette lasers uit, maar kan ook worden afgestemd om lasers uit te zenden die variëren 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 pure zinkoxidedraden. Toen de onderzoekers vervolgens de pure zinkoxidekristallen in de nanodraden activeerden met een andere laser onder de kas, zonden de pure 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, ontwikkelden chemicus Yang Peidong en zijn collega's aan de Universiteit van Californië, Berkeley, nanolasers die op kamertemperatuur werken. Deze zinkoxide-nanolaser kan een laser uitzenden met een lijnbreedte van minder dan 0,3 nm en een golflengte van 385 nm onder lichtexcitatie, 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 produceren was, een hoge helderheid had, klein van formaat was en dat de prestaties gelijk waren aan of zelfs beter waren dan die van GaN-blauwe lasers. Vanwege de mogelijkheid om nanodraadarrays met hoge dichtheid te maken, kunnen ZnO-nanolasers veel toepassingen krijgen die niet mogelijk zijn met de huidige GaAs-apparaten. Om dergelijke lasers te laten groeien, wordt ZnO-nanodraden gesynthetiseerd door middel van gastransport, wat epitaxiale kristalgroei katalyseert. Eerst wordt het saffiersubstraat bedekt met een laag van 1 nm~3,5 nm dikke goudfilm en vervolgens op een aluminaboot geplaatst, worden het materiaal en het substraat verhit tot 880 ° C ~905 ° C in de ammoniakstroom om Zn-stoom te produceren, en vervolgens wordt de Zn-stoom naar het substraat getransporteerd. Nanodraden van 2 μm ~ 10 μm met een hexagonale dwarsdoorsnede werden gegenereerd in het groeiproces van 2 min ~ 10 min. De onderzoekers ontdekten dat ZnO-nanodraden een natuurlijke laserholte vormen met een diameter van 20 nm tot 150 nm, en het grootste deel (95%) van zijn diameter is 70 nm tot 100 nm. Om 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, 3 ns pulsbreedte). Tijdens de evolutie van het emissiespectrum wordt het licht gelamelleerd door het pompvermogen te verhogen. Wanneer de laser de drempelwaarde van de ZnO-nanodraden (ongeveer 40 kW/cm2) overschrijdt, verschijnt het hoogste punt in het emissiespectrum. De lijnbreedte van deze hoogste punten is minder dan 0,3 nm, wat meer dan 1/50 kleiner is dan de lijnbreedte vanaf het emissiepunt onder de drempelwaarde. Deze smalle lijnbreedtes en snelle toenames in emissie-intensiteit leidden de onderzoekers tot de conclusie dat gestimuleerde emissie inderdaad optreedt 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 kortgolvige nanolaser kan worden gebruikt in optische computing, informatieopslag en nanoanalyzers.
3. Kwantumputlasers
Vóór en na 2010 zal de lijnbreedte die op de halfgeleiderchip wordt geëtst 100 nm of minder bedragen, en zullen er slechts enkele elektronen in het circuit bewegen. De toename en afname van een elektron zal een grote impact hebben op de werking van het circuit. Om dit probleem op te lossen, werden kwantumputlasers geboren. In de kwantummechanica wordt een potentiaalveld 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 geëxciteerde straling van de laser, een kwantumputlaser, domineert. Er zijn twee soorten kwantumputlasers: kwantumlijnlasers en kwantumdotlasers.
① Kwantumlijnlaser
Wetenschappers hebben kwantumdraadlasers ontwikkeld die 1000 keer krachtiger zijn dan traditionele lasers, wat een grote stap is 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 Instituut voor Fysica in Dresden, Duitsland. Deze lasers met een hoger vermogen zouden de behoefte aan dure repeaters, die om de 80 km (50 mijl) langs de communicatielijn worden geïnstalleerd, verminderen. Deze repeaters produceren laserpulsen die minder intens zijn tijdens hun reis door de glasvezel.
Plaatsingstijd: 15 juni 2023