Nanolaser là một loại thiết bị vi mô và nano được chế tạo từ các vật liệu nano như dây nano làm bộ cộng hưởng và có thể phát ra tia laser khi bị kích thích bằng ánh sáng hoặc kích thích điện. Kích thước của loại laser này thường chỉ vài trăm micromet hoặc thậm chí vài chục micromet, và đường kính có thể lên đến cỡ nanomet, đây là một phần quan trọng của màn hình màng mỏng, quang học tích hợp và các lĩnh vực khác trong tương lai.
Phân loại laser nano:
1. Laser dây nano
Năm 2001, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Berkeley, Hoa Kỳ, đã tạo ra tia laser nhỏ nhất thế giới – laser nano – trên dây quang nano chỉ dài bằng một phần nghìn chiều dài sợi tóc người. Tia laser này không chỉ phát ra tia cực tím mà còn có thể điều chỉnh để phát ra các tia laser từ màu xanh lam đến tia cực tím sâu. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật tiêu chuẩn gọi là nuôi cấy định hướng để tạo ra tia laser từ các tinh thể oxit kẽm nguyên chất. Đầu tiên, họ “nuôi cấy” các dây nano, tức là hình thành trên một lớp vàng với đường kính từ 20nm đến 150nm và chiều dài 10.000 nm các dây oxit kẽm nguyên chất. Sau đó, khi các nhà nghiên cứu kích hoạt các tinh thể oxit kẽm nguyên chất trong các dây nano bằng một tia laser khác trong nhà kính, các tinh thể oxit kẽm nguyên chất đã phát ra tia laser có bước sóng chỉ 17nm. Các laser nano như vậy cuối cùng có thể được sử dụng để xác định các chất hóa học và cải thiện dung lượng lưu trữ thông tin của ổ đĩa máy tính và máy tính quang tử.
2. Tia laser nano cực tím
Tiếp nối sự ra đời của các loại laser vi mô, laser đĩa vi mô, laser vòng vi mô và laser thác lượng tử, nhà hóa học Yang Peidong và các đồng nghiệp tại Đại học California, Berkeley, đã chế tạo được các nanolaser hoạt động ở nhiệt độ phòng. Nanolaser oxit kẽm này có thể phát ra tia laser với độ rộng vạch nhỏ hơn 0,3nm và bước sóng 385nm khi được kích thích bằng ánh sáng, được coi là laser nhỏ nhất thế giới và là một trong những thiết bị thực tiễn đầu tiên được chế tạo bằng công nghệ nano. Ở giai đoạn phát triển ban đầu, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng nanolaser ZnO này dễ chế tạo, có độ sáng cao, kích thước nhỏ và hiệu suất tương đương hoặc thậm chí tốt hơn laser xanh GaN. Nhờ khả năng tạo ra các mảng dây nano mật độ cao, nanolaser ZnO có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mà các thiết bị GaAs hiện nay không thể thực hiện được. Để nuôi cấy các loại laser này, dây nano ZnO được tổng hợp bằng phương pháp vận chuyển khí, phương pháp này xúc tác cho sự phát triển tinh thể epitaxy. Đầu tiên, chất nền sapphire được phủ một lớp màng vàng dày 1 nm~3,5 nm, sau đó đặt lên một chiếc thuyền alumina. Vật liệu và chất nền được nung nóng đến 880 °C ~905 °C trong dòng khí amoniac để tạo ra hơi kẽm (Zn), rồi hơi kẽm được dẫn đến chất nền. Các dây nano có kích thước 2 μm~10 μm với tiết diện hình lục giác được tạo ra trong quá trình tăng trưởng từ 2 đến 10 phút. Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng dây nano ZnO tạo thành một khoang laser tự nhiên với đường kính từ 20 nm đến 150 nm, và phần lớn (95%) có đường kính từ 70 nm đến 100 nm. Để nghiên cứu sự phát xạ kích thích của các dây nano, các nhà nghiên cứu đã bơm quang học mẫu trong nhà kính bằng đầu ra sóng hài bậc bốn của laser Nd:YAG (bước sóng 266 nm, độ rộng xung 3 ns). Trong quá trình tiến hóa của phổ phát xạ, ánh sáng bị suy giảm khi công suất bơm tăng lên. Khi cường độ phát laser vượt quá ngưỡng của dây nano ZnO (khoảng 40kW/cm), điểm cao nhất sẽ xuất hiện trong phổ phát xạ. Độ rộng vạch của các điểm cao nhất này nhỏ hơn 0,3nm, tức là nhỏ hơn hơn 1/50 so với độ rộng vạch từ đỉnh phát xạ dưới ngưỡng. Độ rộng vạch hẹp và sự gia tăng nhanh chóng cường độ phát xạ đã khiến các nhà nghiên cứu kết luận rằng hiện tượng phát xạ kích thích thực sự xảy ra trong các dây nano này. Do đó, mảng dây nano này có thể hoạt động như một bộ cộng hưởng tự nhiên và trở thành một nguồn laser siêu nhỏ lý tưởng. Các nhà nghiên cứu tin rằng laser nano bước sóng ngắn này có thể được sử dụng trong các lĩnh vực điện toán quang học, lưu trữ thông tin và phân tích nano.
3. Laser giếng lượng tử
Trước và sau năm 2010, độ rộng đường khắc trên chip bán dẫn chỉ đạt 100nm hoặc nhỏ hơn, và chỉ có một vài electron chuyển động trong mạch, sự tăng giảm của một electron sẽ ảnh hưởng lớn đến hoạt động của mạch. Để giải quyết vấn đề này, laser giếng lượng tử ra đời. Trong cơ học lượng tử, một trường tiềm năng hạn chế chuyển động của electron và lượng tử hóa chúng được gọi là giếng lượng tử. Sự ràng buộc lượng tử này được sử dụng để tạo ra các mức năng lượng lượng tử trong lớp hoạt tính của laser bán dẫn, sao cho sự chuyển đổi điện tử giữa các mức năng lượng chi phối bức xạ kích thích của laser, đó chính là laser giếng lượng tử. Có hai loại laser giếng lượng tử: laser đường lượng tử và laser chấm lượng tử.
① Tia laser lượng tử
Các nhà khoa học đã phát triển laser dây lượng tử mạnh hơn gấp 1.000 lần so với laser truyền thống, tạo ra một bước tiến lớn hướng tới việc tạo ra máy tính và thiết bị liên lạc nhanh hơn. Loại laser này, có thể tăng tốc độ âm thanh, video, Internet và các hình thức liên lạc khác trên 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 giảm nhu cầu sử dụng các bộ khuếch đại tín hiệu (Repeater) đắt tiền, vốn được lắp đặt cứ mỗi 80 km (50 dặm) dọc theo đường truyền thông, tạo ra các xung laser có cường độ thấp hơn khi truyền qua sợi quang (Repeater).
Thời gian đăng bài: 15 tháng 6 năm 2023