Nanolaser là một loại thiết bị vi mô và nano được làm bằng vật liệu nano như dây nano làm bộ cộng hưởng và có thể phát ra tia laser dưới sự kích thích quang học hoặc kích thích điện. Kích thước của tia laser này thường chỉ là hàng trăm micron hoặc thậm chí hàng chục micron và đường kính lên đến cấp nanomet, đây là một phần quan trọng của màn hình màng mỏng trong tương lai, quang học tích hợp và các lĩnh vực khác.
Phân loại nanolaser:
1. Laser nanowire
Năm 2001, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley, Hoa Kỳ, đã tạo ra tia laser nhỏ nhất thế giới – nanolaser – trên sợi dây nanooptic chỉ bằng một phần nghìn chiều dài của một sợi tóc người. Tia laser này không chỉ phát ra tia laser cực tím mà còn có thể được điều chỉnh để phát ra tia laser có phạm vi từ màu xanh lam đến cực tím sâu. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kỹ thuật tiêu chuẩn gọi là epiphytation định hướng để tạo ra tia laser từ các tinh thể kẽm oxit nguyên chất. Đầu tiên, họ “nuôi cấy” các sợi nano, tức là được hình thành trên một lớp vàng có đường kính từ 20nm đến 150nm và chiều dài 10.000 nm của các sợi kẽm oxit nguyên chất. Sau đó, khi các nhà nghiên cứu kích hoạt các tinh thể kẽm oxit nguyên chất trong các sợi nano bằng một tia laser khác dưới nhà kính, các tinh thể kẽm oxit nguyên chất phát ra tia laser có bước sóng chỉ 17nm. Các nanolaser như vậy cuối cùng có thể được sử dụng để xác định các hóa chất và cải thiện khả năng lưu trữ thông tin của đĩa máy tính và máy tính quang tử.
2. Tia laser nano cực tím
Tiếp theo sự ra đời của micro-laser, micro-disk laser, micro-ring laser và quantum avalanche laser, nhà hóa học Yang Peidong và các đồng nghiệp của ông tại Đại học California, Berkeley, đã chế tạo nanolaser ở nhiệt độ phòng. Nanolaser oxit kẽm này có thể phát ra tia laser có độ rộng vạch phổ nhỏ hơn 0,3nm và bước sóng 385nm khi được kích thích bằng ánh sáng, được coi là tia laser nhỏ nhất thế giới và là một trong những thiết bị thực tế đầu tiên được sản xuất bằng công nghệ nano. Trong giai đoạn phát triển ban đầu, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng nanolaser ZnO này dễ chế tạo, độ sáng cao, kích thước nhỏ và hiệu suất ngang bằng hoặc thậm chí tốt hơn laser xanh GaN. Do khả năng tạo ra các mảng nanowire mật độ cao, nanolaser ZnO có thể đi vào nhiều ứng dụng mà các thiết bị GaAs ngày nay không thể làm được. Để phát triển các loại laser như vậy, nanowire ZnO được tổng hợp bằng phương pháp vận chuyển khí xúc tác cho sự phát triển tinh thể epitaxial. Đầu tiên, chất nền sapphire được phủ một lớp màng vàng dày 1 nm ~ 3,5 nm, sau đó đặt lên thuyền alumina, vật liệu và chất nền được nung nóng đến 880 ° C ~ 905 ° C trong dòng amoniac để tạo ra hơi Zn, sau đó hơi Zn được vận chuyển đến chất nền. Các dây nano có kích thước 2μm ~ 10μm với diện tích mặt cắt hình lục giác được tạo ra trong quá trình phát triển kéo dài 2 phút ~ 10 phút. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng dây nano ZnO tạo thành một khoang laser tự nhiên có đường kính từ 20nm đến 150nm và hầu hết (95%) đường kính của nó là 70nm đến 100nm. Để nghiên cứu sự phát xạ kích thích của các dây nano, các nhà nghiên cứu đã bơm quang học mẫu trong nhà kính với đầu ra sóng hài bậc bốn của laser Nd: YAG (bước sóng 266nm, độ rộng xung 3ns). Trong quá trình phát triển của quang phổ phát xạ, ánh sáng bị laminated với sự gia tăng của công suất bơm. Khi laser vượt quá ngưỡng của nanowire ZnO (khoảng 40kW/cm), điểm cao nhất sẽ xuất hiện trong quang phổ phát xạ. Độ rộng vạch của các điểm cao nhất này nhỏ hơn 0,3nm, nhỏ hơn 1/50 so với độ rộng vạch từ đỉnh phát xạ bên dưới ngưỡng. Độ rộng vạch hẹp này và sự gia tăng nhanh chóng về cường độ phát xạ đã dẫn các nhà nghiên cứu đến kết luận rằng phát xạ kích thích thực sự xảy ra trong các nanowire này. Do đó, mảng nanowire này có thể hoạt động như một bộ cộng hưởng tự nhiên và do đó trở thành một nguồn laser vi mô lý tưởng. Các nhà nghiên cứu tin rằng nanolaser bước sóng ngắn này có thể được sử dụng trong các lĩnh vực điện toán quang học, lưu trữ thông tin và máy phân tích nano.
3. Laser giếng lượng tử
Trước và sau năm 2010, độ rộng vạch khắc trên chip bán dẫn sẽ đạt 100nm hoặc ít hơn, và sẽ chỉ có một vài electron chuyển động trong mạch, và sự tăng giảm của một electron sẽ có tác động lớn đến hoạt động của mạch. Để giải quyết vấn đề này, laser giếng lượng tử đã ra đời. Trong cơ học lượng tử, một trường thế hạn chế chuyển động của các electron và lượng tử hóa chúng được gọi là giếng lượng tử. Ràng buộc lượng tử này được sử dụng để hình thành các mức năng lượng lượng tử trong lớp hoạt động của laser bán dẫn, do đó quá trình chuyển đổi điện tử giữa các mức năng lượng chi phối bức xạ kích thích của laser, đó là laser giếng lượng tử. Có hai loại laser giếng lượng tử: laser vạch lượng tử và laser chấm lượng tử.
① Laser dòng lượng tử
Các nhà khoa học đã phát triển laser dây lượng tử mạnh hơn laser truyền thống 1.000 lần, tiến một bước dài trong việc tạo ra máy tính và thiết bị truyền thông nhanh hơn. Laser, có thể tăng tốc độ âm thanh, video, Internet và các hình thức truyền thông khác qua mạng cáp quang, được phát triển bởi các nhà khoa học tại Đại học Yale, Lucent Technologies Bell LABS ở New Jersey và Viện Vật lý Max Planck ở Dresden, Đức. Những laser công suất cao hơn này sẽ làm giảm nhu cầu về Bộ lặp đắt tiền, được lắp đặt cách nhau 80km (50 dặm) dọc theo đường truyền thông tin, một lần nữa tạo ra các xung laser ít cường độ hơn khi chúng truyền qua sợi quang (Bộ lặp).
Thời gian đăng: 15-06-2023