Nanolaser je druh mikro a nano zařízení, které je vyrobeno z nanomateriálů, jako jsou nanodrátky jako rezonátory, a může emitovat laserové záření za fotoexcitace nebo elektrické excitace. Velikost tohoto laseru je často jen stovky mikronů nebo dokonce desítky mikronů a průměr je až řádově v nanometrech, což je důležitá součást budoucích tenkovrstvých displejů, integrované optiky a dalších oblastí.
Klasifikace nanolaseru:
1. Nanodrátový laser
V roce 2001 vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley ve Spojených státech vytvořili nejmenší laser na světě – nanolasery – na nanooptickém drátu o délce pouhé tisíciny lidského vlasu. Tento laser nejenže vyzařuje ultrafialové záření, ale lze jej také naladit na vyzařování laserů v rozsahu od modré až po hluboké ultrafialové záření. Vědci použili standardní techniku zvanou orientovaná epifytace k vytvoření laseru z čistých krystalů oxidu zinečnatého. Nejprve „kultivovali“ nanodráty, tj. dráty z čistého oxidu zinečnatého vytvořené na vrstvě zlata o průměru 20 nm až 150 nm a délce 10 000 nm. Poté, když vědci aktivovali krystaly čistého oxidu zinečnatého v nanodrátech dalším laserem ve skleníku, krystaly čistého oxidu zinečnatého vyzařovaly laser s vlnovou délkou pouze 17 nm. Takové nanolasery by se nakonec mohly použít k identifikaci chemikálií a ke zlepšení kapacity ukládání informací na počítačových discích a fotonických počítačích.
2. Ultrafialový nanolaser
Po objevení mikrolaserů, mikrodiskových laserů, mikrokruhových laserů a kvantových lavinových laserů chemik Yang Peidong a jeho kolegové z Kalifornské univerzity v Berkeley vyrobili nanolasery pracující při pokojové teplotě. Tento nanolaser z oxidu zinečnatého dokáže při buzení světlem emitovat laser s šířkou čáry menší než 0,3 nm a vlnovou délkou 385 nm, což je považováno za nejmenší laser na světě a jedno z prvních praktických zařízení vyrobených s využitím nanotechnologie. V počáteční fázi vývoje vědci předpovídali, že tento ZnO nanolaser se snadno vyrábí, má vysoký jas, malé rozměry a výkon je stejný nebo dokonce lepší než u modrých GaN laserů. Díky schopnosti vytvářet pole nanodrátů s vysokou hustotou mohou ZnO nanolasery najít mnoho aplikací, které nejsou možné s dnešními GaAs zařízeními. Pro růst takových laserů se ZnO nanodrát syntetizuje metodou transportu plynu, která katalyzuje epitaxní růst krystalů. Safírový substrát je nejprve potažen vrstvou zlatého filmu o tloušťce 1 nm až 3,5 nm a poté je umístěn na lodičku z oxidu hlinitého. Materiál a substrát jsou v proudu amoniaku zahřáty na 880 °C až 905 °C za vzniku zinkové páry, která je následně transportována k substrátu. Během růstového procesu trvajícího 2 minuty až 10 minut byly vytvořeny nanodráty o rozměrech 2 μm až 10 μm s hexagonálním průřezem. Vědci zjistili, že ZnO nanodrát tvoří přirozenou laserovou dutinu o průměru 20 nm až 150 nm a většina (95 %) jeho průměru je 70 nm až 100 nm. Pro studium stimulované emise nanodrátů vědci opticky pumpovali vzorek ve skleníku čtvrtou harmonickou frekvencí Nd:YAG laseru (vlnová délka 266 nm, šířka pulzu 3 ns). Během vývoje emisního spektra se světlo s rostoucím výkonem pumpování zmírňuje. Když laserové záření překročí prahovou hodnotu pro ZnO nanodrát (asi 40 kW/cm), objeví se v emisním spektru nejvyšší bod. Šířka čar v těchto nejvyšších bodech je menší než 0,3 nm, což je o více než 1/50 méně než šířka čar od vrcholu emise pod prahovou hodnotou. Tyto úzké šířky čar a rychlý nárůst intenzity emise vedly vědce k závěru, že v těchto nanodrátech skutečně dochází ke stimulované emisi. Toto pole nanodrátů proto může fungovat jako přirozený rezonátor a stát se tak ideálním zdrojem mikrolaserů. Vědci se domnívají, že tento krátkovlnný nanolaser lze použít v oblasti optických výpočtů, ukládání informací a nanoanalyzátorů.
3. Kvantové jámové lasery
Před rokem 2010 a po něm dosáhla šířka čáry vyleptané na polovodičovém čipu 100 nm nebo méně a v obvodu se pohybovalo jen několik elektronů, takže nárůst a pokles počtu elektronů měl velký vliv na jeho činnost. Kvantové lasery se proto začaly používat k řešení tohoto problému. V kvantové mechanice se potenciálové pole, které omezuje pohyb elektronů a kvantizuje je, nazývá kvantová jáma. Toto kvantové omezení se používá k vytváření kvantových energetických hladin v aktivní vrstvě polovodičového laseru, takže elektronový přechod mezi energetickými hladinami dominuje excitovanému záření laseru, což je kvantově jámový laser. Existují dva typy kvantově jámových laserů: kvantové čárové lasery a kvantově tečkové lasery.
① Kvantový čárový laser
Vědci vyvinuli kvantové drátové lasery, které jsou 1000krát výkonnější než tradiční lasery, a učinili tak velký krok k vytvoření rychlejších počítačů a komunikačních zařízení. Laser, který dokáže zvýšit rychlost zvuku, videa, internetu a dalších forem komunikace přes optické sítě, vyvinuli vědci z Yaleovy univerzity, Lucent Technologies Bell LABS v New Jersey a Max Planck Institute for Physics v Drážďanech v Německu. Tyto lasery s vyšším výkonem by snížily potřebu drahých opakovačů, které jsou instalovány každých 80 km podél komunikační linky a opět produkují laserové pulzy, které jsou při cestě vláknem méně intenzivní (opakovače).
Čas zveřejnění: 15. června 2023