Nanolaser là một loại thiết bị vi mô và nano được chế tạo từ vật liệu nano như dây nano làm bộ cộng hưởng và có thể phát ra tia laser dưới tác động của kích thích quang hoặc kích thích điện. Kích thước của tia laser này thường chỉ vài trăm micron hoặc thậm chí vài chục micron, và đường kính lên đến cỡ nanomet, đóng vai trò quan trọng trong màn hình màng mỏng, quang học tích hợp và các lĩnh vực khác trong tương lai.
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 dải 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 oxit kẽm 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 oxit kẽm nguyên chất. Sau đó, khi các nhà nghiên cứu kích hoạt các tinh thể oxit kẽm nguyên chất trong các sợi nano bằng một tia laser khác dưới nhà kính, các tinh thể oxit kẽm nguyên chất đã 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 laser vi mô, laser đĩa vi mô, laser vòng vi mô và laser tuyết lở lượng tử, nhà hóa học Dương Bồi Đông và các đồng nghiệp tại Đại học California, Berkeley đã chế tạo ra laser nano ở nhiệt độ phòng. Laser nano 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 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 laser nano ZnO này dễ chế tạo, độ sáng cao, kích thước nhỏ và hiệu suất ngang bằng hoặc thậm chí tốt hơn laser xanh GaN. Nhờ khả năng tạo ra các mảng dây nano mật độ cao, laser nano ZnO có thể ứng dụng vào nhiều lĩnh vực mà các thiết bị GaAs hiện nay không thể thực hiện được. Để phát triển các loại laser như vậy, dây nano 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 nhôm oxit, 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 từ 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 phổ phát xạ, ánh sáng bị lam khi công suất bơm tăng lên. Khi năng lượng 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, nhỏ hơn 1/50 so với độ rộng vạch từ đỉnh phát xạ bên dưới ngưỡng. Độ rộng vạch hẹp này và cường độ phát xạ tăng nhanh chóng đã dẫn các nhà nghiên cứu đến kết luận rằng 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 do đó trở thành một nguồn laser vi mô 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 vạch khắc trên chip bán dẫn sẽ đạt 100nm hoặc nhỏ 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 sự 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 đường lượng tử
Các nhà khoa học đã phát triển laser dây lượng tử mạnh hơn laser truyền thống gấp 1.000 lần, đánh dấu một bước tiến lớn trong việc tạo ra máy tính và thiết bị truyền thông nhanh hơn. Laser, có khả năng tăng tốc độ truyền 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 này sẽ giảm nhu cầu sử dụng các bộ lặp đắt tiền, được lắp đặt cách nhau 80km (50 dặm) dọc theo đường truyền, một lần nữa tạo ra các xung laser có cường độ yếu hơn khi truyền qua cáp quang (bộ lặp).
Thời gian đăng: 15-06-2023