Нанолазер – це різновид мікро- та нанопристроїв, виготовлених з наноматеріалів, таких як нанодроти як резонатор, і здатних випромінювати лазерне випромінювання під дією фотозбудження або електричного збудження. Розмір цього лазера часто становить лише сотні мікронів або навіть десятки мікронів, а діаметр – до нанометра, що є важливою частиною майбутніх тонкоплівкових дисплеїв, інтегрованої оптики та інших галузей.
Класифікація нанолазера:
1. Нанодротовий лазер
У 2001 році дослідники з Каліфорнійського університету в Берклі (Сполучені Штати) створили найменший у світі лазер – нанолазери – на нанооптичному дроті довжиною лише одну тисячну людської волосини. Цей лазер не тільки випромінює ультрафіолетові лазери, але й може бути налаштований на випромінювання лазерів у діапазоні від синього до глибокого ультрафіолетового. Дослідники використали стандартну техніку, яка називається орієнтованою епіфітацією, щоб створити лазер з чистих кристалів оксиду цинку. Спочатку вони «культивували» нанодроти, тобто сформовані на шарі золота діаметром від 20 нм до 150 нм та довжиною 10 000 нм на основі чистого оксиду цинку. Потім, коли дослідники активували кристали чистого оксиду цинку в нанодротах іншим лазером під теплицею, кристали чистого оксиду цинку випромінювали лазер з довжиною хвилі лише 17 нм. Такі нанолазери згодом можуть бути використані для ідентифікації хімічних речовин та покращення ємності зберігання інформації на комп'ютерних дисках та фотонних комп'ютерах.
2. Ультрафіолетовий нанолазер
Після появи мікролазерів, мікродискових лазерів, мікрокільцевих лазерів та квантових лавинних лазерів, хімік Ян Пейдун та його колеги з Каліфорнійського університету в Берклі створили нанолазери, що працюють за кімнатної температури. Цей нанолазер на основі оксиду цинку може випромінювати лазер з шириною лінії менше 0,3 нм та довжиною хвилі 385 нм під дією світлового збудження, що вважається найменшим лазером у світі та одним із перших практичних пристроїв, виготовлених за допомогою нанотехнологій. На початковому етапі розробки дослідники передбачали, що цей нанолазер на основі ZnO простий у виготовленні, має високу яскравість, невеликий розмір, а його продуктивність дорівнює або навіть перевищує продуктивність синіх лазерів GaN. Завдяки можливості створювати масиви нанодротів високої щільності, нанолазери на основі ZnO можуть знайти багато застосувань, які неможливі з сучасними пристроями GaAs. Для вирощування таких лазерів нанодроти ZnO синтезуються методом газотранспорту, який каталізує епітаксіальний ріст кристалів. Спочатку сапфірову підкладку покривають шаром золотої плівки товщиною 1 нм ~ 3,5 нм, а потім поміщають її на човник з оксиду алюмінію. Матеріал і підкладку нагрівають до 880 °C ~ 905 °C в потоці аміаку для утворення пари Zn, після чого пара Zn транспортується до підкладки. Нанодроти розміром 2 мкм ~ 10 мкм з гексагональною площею поперечного перерізу були сформовані в процесі росту протягом 2 хв ~ 10 хв. Дослідники виявили, що нанодроти ZnO утворюють природний лазерний резонатор діаметром від 20 нм до 150 нм, а більша частина (95%) їх діаметра становить від 70 нм до 100 нм. Для вивчення вимушеного випромінювання нанодротів дослідники оптично накачували зразок у теплиці випромінюванням четвертої гармоніки Nd:YAG лазера (довжина хвилі 266 нм, ширина імпульсу 3 нс). Під час еволюції спектру випромінювання світло згасає зі збільшенням потужності накачування. Коли лазерне випромінювання перевищує поріг нанодроту ZnO (близько 40 кВт/см), у спектрі випромінювання з'являється найвища точка. Ширина лінії цих найвищих точок менше 0,3 нм, що більш ніж на 1/50 менше за ширину лінії від вершини випромінювання нижче порогу. Ці вузькі ширини ліній та швидке збільшення інтенсивності випромінювання призвели до висновку, що в цих нанодротах дійсно відбувається вимушене випромінювання. Отже, цей масив нанодротів може діяти як природний резонатор і таким чином стати ідеальним джерелом мікролазера. Дослідники вважають, що цей короткохвильовий нанолазер може бути використаний в галузі оптичних обчислень, зберігання інформації та наноаналізаторів.
3. Лазери з квантовими ямами
До і після 2010 року ширина лінії, витравленої на напівпровідниковому кристалі, досягатиме 100 нм або менше, і в колі рухатиметься лише кілька електронів, а збільшення та зменшення кількості електрона матиме великий вплив на роботу схеми. Щоб вирішити цю проблему, були створені квантово-ямні лазери. У квантовій механіці потенційне поле, яке обмежує рух електронів і квантує їх, називається квантовою ямою. Це квантове обмеження використовується для формування квантових енергетичних рівнів в активному шарі напівпровідникового лазера, так що електронний перехід між енергетичними рівнями домінує у збудженому випромінюванні лазера, який є квантово-ямним лазером. Існує два типи квантово-ямних лазерів: квантові лінійні лазери та квантово-точкові лазери.
① Квантовий лінійний лазер
Вчені розробили квантові дротяні лазери, які в 1000 разів потужніші за традиційні лазери, зробивши великий крок до створення швидших комп'ютерів та комунікаційних пристроїв. Лазер, який може збільшити швидкість аудіо, відео, Інтернету та інших форм зв'язку через оптоволоконні мережі, був розроблений вченими Єльського університету, Lucent Technologies Bell LABS у Нью-Джерсі та Інституту фізики імені Макса Планка в Дрездені, Німеччина. Ці потужніші лазери зменшать потребу в дорогих ретрансляторах, які встановлюються кожні 80 км (50 миль) вздовж лінії зв'язку, знову ж таки створюючи лазерні імпульси, які є менш інтенсивними під час їх проходження через оптоволокно (ретранслятори).
Час публікації: 15 червня 2023 р.