Нанолазерът е вид микро и нано устройство, изработено от наноматериали, като например нанопроводник като резонатор, и може да излъчва лазер при фотовъзбуждане или електрическо възбуждане. Размерът на този лазер често е само стотици микрони или дори десетки микрони, а диаметърът му е до нанометров порядък, което е важна част от бъдещите тънкослойни дисплеи, интегрирана оптика и други области.
Класификация на нанолазера:
1. Нанопроводен лазер
През 2001 г. изследователи от Калифорнийския университет в Бъркли, САЩ, създадоха най-малкия лазер в света – нанолазери – върху нанооптичен проводник с дължина само една хилядна от човешки косъм. Този лазер не само излъчва ултравиолетови лазери, но може да бъде настроен да излъчва лазери в диапазона от синьо до дълбоко ултравиолетово. Изследователите използваха стандартна техника, наречена ориентирана епифитация, за да създадат лазера от чисти кристали цинков оксид. Първо те „култивираха“ нанопроводници, тоест образувани върху златен слой с диаметър от 20 nm до 150 nm и дължина от 10 000 nm чисти цинкови оксидни проводници. След това, когато изследователите активираха чистите кристали цинков оксид в нанопроводниците с друг лазер под оранжерията, чистите кристали цинков оксид излъчваха лазер с дължина на вълната само 17 nm. Такива нанолазери биха могли в крайна сметка да бъдат използвани за идентифициране на химикали и подобряване на капацитета за съхранение на информация на компютърни дискове и фотонни компютри.
2. Ултравиолетов нанолазер
След появата на микролазери, микродискови лазери, микропръстенови лазери и квантови лавинни лазери, химикът Ян Пейдонг и неговите колеги от Калифорнийския университет в Бъркли създадоха нанолазери при стайна температура. Този цинков оксиден нанолазер може да излъчва лазер с ширина на линията по-малка от 0,3 nm и дължина на вълната 385 nm при светлинно възбуждане, което се счита за най-малкия лазер в света и едно от първите практически устройства, произведени с помощта на нанотехнологии. В началния етап на разработка изследователите прогнозираха, че този ZnO нанолазер е лесен за производство, с висока яркост, малък размер и производителност, равна или дори по-добра от тази на GaN сините лазери. Поради способността за създаване на масиви от нанопроводници с висока плътност, ZnO нанолазерите могат да намерят много приложения, които не са възможни с днешните GaAs устройства. За да се отглеждат такива лазери, ZnO нанопроводникът се синтезира чрез метод на газов транспорт, който катализира епитаксиален растеж на кристали. Първо, сапфиреният субстрат се покрива със слой златен филм с дебелина 1 nm~3,5 nm, след което се поставя върху алуминиева лодка. Материалът и субстратът се нагряват до 880°C~905°C в амонячен поток, за да се получи цинкова пара, след което цинковата пара се транспортира до субстрата. В процеса на растеж от 2min~10min са генерирани наножици с размери 2μm~10μm и шестоъгълно напречно сечение. Изследователите установяват, че ZnO наножиците образуват естествена лазерна кухина с диаметър от 20nm до 150nm, като по-голямата част (95%) от диаметъра им е от 70nm до 100nm. За да изследват стимулираната емисия на наножиците, изследователите оптично напомпват пробата в оранжерия с четвъртата хармонична мощност на Nd:YAG лазер (дължина на вълната 266 nm, ширина на импулса 3ns). По време на еволюцията на емисионния спектър, светлината се намалява с увеличаване на мощността на помпата. Когато лазерното излъчване надвиши прага на ZnO нанопроводника (около 40 kW/cm), най-високата точка ще се появи в емисионния спектър. Ширината на линията на тези най-високи точки е по-малка от 0,3 nm, което е с повече от 1/50 по-малко от ширината на линията от върха на емисията под прага. Тези тесни ширини на линиите и бързото увеличаване на интензитета на емисията доведоха изследователите до заключението, че в тези нанопроводници наистина се наблюдава стимулирана емисия. Следователно, този масив от нанопроводници може да действа като естествен резонатор и по този начин да се превърне в идеален микролазерен източник. Изследователите смятат, че този нанолазер с къса дължина на вълната може да се използва в областта на оптичните изчисления, съхранението на информация и наноанализаторите.
3. Лазери с квантови ями
Преди и след 2010 г. ширината на линията, гравирана върху полупроводниковия чип, ще достигне 100 nm или по-малко и ще има само няколко електрона, движещи се във веригата, а увеличаването и намаляването на електрона ще има голямо влияние върху работата на веригата. За да се реши този проблем, са създадени квантово-ямковите лазери. В квантовата механика потенциалното поле, което ограничава движението на електроните и ги квантува, се нарича квантова яма. Това квантово ограничение се използва за формиране на квантови енергийни нива в активния слой на полупроводниковия лазер, така че електронният преход между енергийните нива доминира възбуденото излъчване на лазера, което е квантово-ямков лазер. Съществуват два вида квантово-ямкови лазери: квантови линейни лазери и квантово-точкови лазери.
① Квантов линеен лазер
Учени са разработили квантови лазери с жици, които са 1000 пъти по-мощни от традиционните лазери, правейки голяма крачка към създаването на по-бързи компютри и комуникационни устройства. Лазерът, който може да увеличи скоростта на аудио, видео, интернет и други форми на комуникация по оптични мрежи, е разработен от учени от Йейлския университет, Lucent Technologies Bell LABS в Ню Джърси и Института по физика „Макс Планк“ в Дрезден, Германия. Тези лазери с по-висока мощност биха намалили нуждата от скъпи ретранслатори, които се инсталират на всеки 80 км (50 мили) по комуникационната линия, отново произвеждайки лазерни импулси, които са по-малко интензивни, докато пътуват през влакното (ретранслатори).
Време на публикуване: 15 юни 2023 г.