Nanolaser er en slags mikro- og nanoenhed, der er lavet af nanomaterialer såsom nanotråde som resonator og kan udsende laser under fotoexcitation eller elektrisk excitation. Størrelsen af denne laser er ofte kun hundredvis af mikron eller endda tivis af mikron, og diameteren er op til nanometerstørrelsen, hvilket er en vigtig del af fremtidens tyndfilmsdisplay, integreret optik og andre felter.
Klassificering af nanolaser:
1. Nanowire-laser
I 2001 skabte forskere ved University of California, Berkeley i USA, verdens mindste laser – nanolasere – på en nanooptisk tråd, der kun er en tusindedel af længden af et menneskehår. Denne laser udsender ikke kun ultraviolette lasere, men kan også indstilles til at udsende lasere, der spænder fra blå til dyb ultraviolet. Forskerne brugte en standardteknik kaldet orienteret epifytering til at skabe laseren fra rene zinkoxidkrystaller. De "dyrkede" først nanotråde, det vil sige dannet på et guldlag med en diameter på 20 nm til 150 nm og en længde på 10.000 nm af rene zinkoxidtråde. Da forskerne derefter aktiverede de rene zinkoxidkrystaller i nanotrådene med en anden laser under drivhuset, udsendte de rene zinkoxidkrystaller en laser med en bølgelængde på kun 17 nm. Sådanne nanolasere kunne i sidste ende bruges til at identificere kemikalier og forbedre informationslagringskapaciteten på computerdiske og fotoniske computere.
2. Ultraviolet nanolaser
Efter fremkomsten af mikrolasere, mikrodisklasere, mikroringlasere og kvantelavinelasere fremstillede kemikeren Yang Peidong og hans kolleger ved University of California, Berkeley, nanolaser ved stuetemperatur. Denne zinkoxid-nanolaser kan udsende en laser med en linjebredde på mindre end 0,3 nm og en bølgelængde på 385 nm under lysexcitation, hvilket betragtes som den mindste laser i verden og en af de første praktiske enheder fremstillet ved hjælp af nanoteknologi. I den indledende fase af udviklingen forudsagde forskerne, at denne ZnO-nanolaser er nem at fremstille, har høj lysstyrke, er lille i størrelse, og at ydeevnen er lig med eller endda bedre end GaN-blå lasere. På grund af evnen til at fremstille nanotrådsarrays med høj densitet kan ZnO-nanolasere anvendes i mange anvendelser, der ikke er mulige med nutidens GaAs-enheder. For at dyrke sådanne lasere syntetiseres ZnO-nanotråd ved hjælp af gastransportmetoden, som katalyserer epitaksial krystalvækst. Først belægges safirsubstratet med et lag af 1 nm~3,5 nm tyk guldfilm, og det placeres derefter på en aluminiumoxidbåd. Materialet og substratet opvarmes til 880 °C ~ 905 °C i ammoniakstrømmen for at producere Zn-damp, og derefter transporteres Zn-dampen til substratet. Nanotråde på 2 μm~10 μm med et hexagonalt tværsnitsareal blev genereret i en vækstproces på 2 min~10 min. Forskerne fandt, at ZnO-nanotråden danner et naturligt laserhulrum med en diameter på 20 nm til 150 nm, og størstedelen (95%) af dens diameter er 70 nm til 100 nm. For at studere stimuleret emission af nanotrådene pumpede forskerne prøven optisk i et drivhus med den fjerde harmoniske output fra en Nd:YAG-laser (266 nm bølgelængde, 3 ns pulsbredde). Under udviklingen af emissionsspektret dæmpes lyset med stigende pumpeeffekt. Når laseringen overstiger tærsklen for ZnO-nanotråden (ca. 40 kW/cm²), vil det højeste punkt vises i emissionsspektret. Linjebredden af disse højeste punkter er mindre end 0,3 nm, hvilket er mere end 1/50 mindre end linjebredden fra emissionshjørnet under tærsklen. Disse smalle linjebredder og hurtige stigninger i emissionsintensiteten førte forskerne til den konklusion, at stimuleret emission faktisk forekommer i disse nanotråde. Derfor kan dette nanotrådsarray fungere som en naturlig resonator og dermed blive en ideel mikrolaserkilde. Forskerne mener, at denne kortbølgede nanolaser kan bruges inden for optisk databehandling, informationslagring og nanoanalysator.
3. Kvantebrøndlasere
Før og efter 2010 vil linjebredden ætset på halvlederchippen nå 100 nm eller mindre, og der vil kun være få elektroner, der bevæger sig i kredsløbet, og stigningen og faldet af en elektron vil have stor indflydelse på kredsløbets funktion. For at løse dette problem blev kvantebrøndlasere født. I kvantemekanikken kaldes et potentielt felt, der begrænser elektronernes bevægelse og kvantiserer dem, en kvantebrønd. Denne kvantebegrænsning bruges til at danne kvanteenerginiveauer i det aktive lag af halvlederlaseren, således at den elektroniske overgang mellem energiniveauerne dominerer den exciterede stråling fra laseren, som er en kvantebrøndlaser. Der er to typer kvantebrøndlasere: kvantelinjelasere og kvantepunktlasere.
① Kvantelinjelaser
Forskere har udviklet kvantetrådlasere, der er 1.000 gange kraftigere end traditionelle lasere, og tager dermed et stort skridt i retning af at skabe hurtigere computere og kommunikationsenheder. Laseren, som kan øge hastigheden på lyd, video, internet og andre former for kommunikation over fiberoptiske netværk, blev udviklet af forskere ved Yale University, Lucent Technologies Bell LABS i New Jersey og Max Planck Institute for Physics i Dresden, Tyskland. Disse lasere med højere effekt vil reducere behovet for dyre repeatere, som installeres for hver 80 km (50 miles) langs kommunikationslinjen, hvilket igen producerer laserpulser, der er mindre intense, når de bevæger sig gennem fiberen (repeatere).
Opslagstidspunkt: 15. juni 2023