Een nanolaser is een soort micro- en nano-apparaat dat is gemaakt van nanomaterialen zoals nanodraden als resonator en dat laserlicht kan uitzenden onder foto- of elektrische excitatie. De afmetingen van deze laser zijn vaak slechts enkele honderden of zelfs tientallen micrometers, en de diameter kan oplopen tot de nanometerorde. Dit maakt ze een belangrijk onderdeel van toekomstige dunnefilmschermen, geïntegreerde optica en andere gebieden.
Classificatie van nanolasers:
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 die slechts een duizendste van de lengte van een mensenhaar is. Deze laser zendt niet alleen ultraviolet licht uit, maar kan ook worden afgestemd om licht uit te zenden in een bereik van blauw tot diep ultraviolet. De onderzoekers gebruikten een standaardtechniek genaamd georiënteerde epifytatie om de laser te creëren uit zuivere zinkoxidekristallen. Ze 'kweekten' eerst nanodraden, dat wil zeggen, gevormd op een goudlaag, met een diameter van 20 tot 150 nm en een lengte van 10.000 nm van zuiver zinkoxide. Toen de onderzoekers vervolgens de zuivere zinkoxidekristallen in de nanodraden activeerden met een andere laser in een kas, zonden de kristallen 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 computerharde schijven en fotonische computers te verbeteren.
2. Ultraviolette nanolaser
Na de komst van microlasers, microdisklasers, microringlasers en kwantumlawinelasers, ontwikkelden chemicus Yang Peidong en zijn collega's aan de Universiteit van Californië, Berkeley, nanolasers die bij kamertemperatuur werken. Deze zinkoxide-nanolaser kan onder lichtstimulatie een laser uitzenden met een lijnbreedte van minder dan 0,3 nm en een golflengte van 385 nm. Dit 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, zeer helder en klein zou zijn, en dat de prestaties gelijkwaardig of zelfs beter zouden zijn dan die van GaN-blauwe lasers. Dankzij de mogelijkheid om nanodraadarrays met een hoge dichtheid te maken, kunnen ZnO-nanolasers worden toegepast in tal van toepassingen die met de huidige GaAs-apparaten niet mogelijk zijn. Om dergelijke lasers te produceren, worden ZnO-nanodraden gesynthetiseerd met behulp van een gastransportmethode die de epitaxiale kristalgroei katalyseert. Eerst wordt het saffiersubstraat bedekt met een laagje goudfilm van 1 nm tot 3,5 nm dik. Vervolgens wordt het substraat op een aluminiumoxide schaal geplaatst. Het materiaal en het substraat worden in een ammoniakstroom verhit tot 880 °C tot 905 °C om zinkstoom te produceren. Deze zinkstoom wordt vervolgens naar het substraat geleid. Tijdens dit groeiproces van 2 tot 10 minuten worden nanodraden met een diameter van 2 μm tot 10 μm en een hexagonale doorsnede gevormd. De onderzoekers ontdekten dat de ZnO-nanodraad een natuurlijke laserholte vormt met een diameter van 20 tot 150 nm, waarbij het grootste deel (95%) een diameter heeft van 70 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 (golflengte 266 nm, pulsduur 3 ns). Tijdens de ontwikkeling van het emissiespectrum bleek het licht te dimmen naarmate het pompvermogen toenam. Wanneer de laseremissie de drempelwaarde van de ZnO-nanodraad overschrijdt (ongeveer 40 kW/cm²), verschijnt er een piek in het emissiespectrum. De lijnbreedte van deze pieken is minder dan 0,3 nm, wat meer dan 1/50 kleiner is dan de lijnbreedte van de emissiepiek onder de drempelwaarde. Deze smalle lijnbreedtes en snelle toename van de emissie-intensiteit brachten de onderzoekers tot de conclusie dat er inderdaad gestimuleerde emissie optreedt in deze nanodraden. Deze nanodraadarray kan daarom fungeren als een natuurlijke resonator en zo een ideale microlaserbron vormen. De onderzoekers zijn van mening dat deze nanolaser met korte golflengte gebruikt kan worden op het gebied van optische computertechnologie, informatieopslag en nanoanalyse.
3. Kwantumputlasers
Vóór en na 2010 zal de lijnbreedte die op de halfgeleiderchip geëtst wordt 100 nm of minder bedragen. Hierdoor bewegen er slechts enkele elektronen in het circuit, en de toename of afname van een elektron heeft een grote invloed op de werking van het circuit. Om dit probleem op te lossen, zijn kwantumputlasers ontwikkeld. 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, waardoor de elektronische overgang tussen de energieniveaus de aangeslagen straling van de laser domineert. Dit is een kwantumputlaser. Er bestaan twee soorten kwantumputlasers: kwantumlijnlasers en kwantumdotlasers.
① Kwantumlijnlaser
Wetenschappers hebben kwantumdraadlasers ontwikkeld die 1000 keer krachtiger zijn dan traditionele lasers. Dit is een belangrijke stap richting snellere computers en communicatieapparaten. 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 krachtigere lasers zouden de behoefte aan dure repeaters, die om de 80 km (50 mijl) langs de communicatielijn worden geïnstalleerd en laserpulsen produceren die minder intens zijn naarmate ze door de vezel reizen, overbodig maken.
Geplaatst op: 15 juni 2023