Nanolaser je druh mikro a nano zařízení, které je vyrobeno z nanomateriálů, jako je nanodrát jako rezonátor a může emitovat laser při fotoexcitaci nebo elektrickém buzení. Velikost tohoto laseru je často jen stovky mikronů nebo dokonce desítky mikronů a průměr řádově nanometrů, což je důležitá součást budoucího tenkovrstvého displeje, integrované optiky a dalších oborů.
Klasifikace nanolaseru:
1. Nanodrátový laser
V roce 2001 vytvořili vědci z Kalifornské univerzity v Berkeley ve Spojených státech nejmenší laser na světě – nanolasery – na nanooptickém drátu pouze jedné tisícině délky lidského vlasu. Tento laser nevyzařuje pouze ultrafialové lasery, ale může být také naladěn tak, aby emitoval lasery v rozsahu od modré až po hluboké ultrafialové. Vědci použili standardní techniku zvanou orientovaná epifytace k vytvoření laseru z čistých krystalů oxidu zinečnatého. Nejprve „kultivovali“ nanodrátky, tedy vytvořené na zlaté vrstvě o průměru 20nm až 150nm a délce 10 000 nm drátů z čistého oxidu zinečnatého. Když pak vědci aktivovali krystaly čistého oxidu zinečnatého v nanodrátech dalším laserem pod skleníkem, krystaly čistého oxidu zinečnatého emitovaly laser s vlnovou délkou pouhých 17 nm. Takové nanolasery by mohly být nakonec použity k identifikaci chemikálií a zlepšení kapacity ukládání informací počítačových disků a fotonických počítačů.
2. Ultrafialový nanolaser
Po příchodu mikrolaserů, mikrodiskových laserů, mikrokroužkových laserů a kvantových lavinových laserů vyrobil chemik Yang Peidong a jeho kolegové z Kalifornské univerzity v Berkeley nanolasery při pokojové teplotě. Tento nanolaser na bázi oxidu zinečnatého může při buzení světlem emitovat laser o šířce čáry menší než 0,3 nm a vlnové délce 385 nm, což je považováno za nejmenší laser na světě a jedno z prvních praktických zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie. V počáteční fázi vývoje vědci předpověděli, že tento nanolaser ZnO se snadno vyrábí, má vysoký jas, malé rozměry a výkon je stejný nebo dokonce lepší než lasery GaN blue. Díky schopnosti vytvářet nanodrátová pole s vysokou hustotou mohou nanolasery ZnO vstoupit do mnoha aplikací, které dnešní zařízení GaAs neumožňují. Za účelem růstu takových laserů je nanodrátek ZnO syntetizován metodou transportu plynu, která katalyzuje růst epitaxních krystalů. Nejprve je safírový substrát potažen vrstvou zlatého filmu o tloušťce 1 nm ~ 3,5 nm a poté je umístěn na člun z oxidu hlinitého, materiál a substrát se zahřívají na 880 ° C ~ 905 ° C v proudu amoniaku, aby se vyrobil Zn pára a poté je Zn pára transportována k substrátu. Nanodrátky 2μm~10μm s šestihrannou plochou průřezu byly generovány v procesu růstu 2min~10min. Vědci zjistili, že nanodrátky ZnO 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 napumpovali vzorek ve skleníku se čtvrtým harmonickým výstupem Nd:YAG laseru (vlnová délka 266nm, šířka pulsu 3ns). Během vývoje emisního spektra se světlo ochromuje se zvyšováním výkonu čerpadla. Když laser překročí práh nanodrátu ZnO (asi 40 kW/cm), objeví se v emisním spektru nejvyšší bod. Šířka čáry těchto nejvyšších bodů je menší než 0,3 nm, což je o více než 1/50 menší než šířka čáry z emisního vrcholu pod prahovou hodnotou. Tyto úzké šířky čar a rychlý nárůst intenzity emisí vedly výzkumníky k závěru, že stimulovaná emise se v těchto nanovláknech skutečně vyskytuje. Toto pole nanodrátů tedy může fungovat jako přirozený rezonátor a stát se tak ideálním mikro laserovým zdrojem. Vědci se domnívají, že tento krátkovlnný nanolaser může být použit v oblasti optických výpočtů, ukládání informací a nanoanalyzátorů.
3. Kvantové vrtné lasery
Před a po roce 2010 dosáhne šířka čáry vyleptané na polovodičovém čipu 100 nm nebo méně a v obvodu se bude pohybovat jen několik elektronů a nárůst a pokles elektronu bude mít velký vliv na činnost obvod. K vyřešení tohoto problému se zrodily kvantové studnové lasery. V kvantové mechanice se potenciální pole, které omezuje pohyb elektronů a kvantuje je, nazývá kvantová studna. Toto kvantové omezení se používá k vytvoření hladin kvantové energie v aktivní vrstvě polovodičového laseru, takže elektronický přechod mezi energetickými hladinami dominuje excitovanému záření laseru, což je laser s kvantovou studnou. Existují dva typy kvantových vrtných laserů: kvantové čárové lasery a kvantové tečkové lasery.
① Kvantový čárový laser
Vědci vyvinuli kvantové drátové lasery, které jsou 1000krát výkonnější než tradiční lasery, čímž udělali velký krok směrem k vytvoření rychlejších počítačů a komunikačních zařízení. Laser, který může zvýšit rychlost zvuku, videa, internetu a dalších forem komunikace přes optické sítě, byl vyvinut vědci z Yale University, Lucent Technologies Bell LABS v New Jersey a Max Planck Institute for Physics v Drážďanech, Německo. Tyto lasery s vyšším výkonem by snížily potřebu drahých opakovačů, které se instalují každých 80 km (50 mil) podél komunikační linky a opět produkují laserové pulsy, které jsou při průchodu vláknem méně intenzivní (opakovače).
Čas odeslání: 15. června 2023