Laserji se pogosto uporabljajo pri komunikacijah, medicinskem slikanju in kirurgiji, potrošniški elektroniki in drugih področjih in so močno spremenili življenje ljudi. V zadnjih letih so znanstveniki razvili nanolaserje, ki ne le še dodatno spodbujajo miniaturizacijo in integracijo fotonskih naprav, ampak tudi odpirajo nove poti za preučevanje interakcije med svetlobo in snovjo v ekstremnih pogojih. Ta članek se začne z generacijo svetlobe in vas popelje, da poglobljeno raziskujete svet nanolaserjev.
Na področju informacijske tehnologije sta tranzistorji in laserji dve osnovni komponenti. Miniaturizacija tranzistorjev je spodbudila hiter razvoj elektronskih čipov in sprožila znani Moorejev zakon - število tranzistorjev, ki jih je mogoče namestiti na integriranem vezju, se bo podvojilo vsakih 18 mesecev. Ta trend je velikost najnaprednejših tranzistorjev potisnil na ravni nanometra. Trenutno je več kot 10 milijard tranzistorjev mogoče vključiti v čipe za mobilni telefon in računalnike, ki jih uporablja javnost, kar daje tem napravam močne zmogljivosti za obdelavo informacij in spodbuja prihod digitalne in inteligentne dobe. Hkrati je miniaturizacija laserjev sprožila revolucijo v fotonski tehnologiji. Po več kot pol stoletja razvoja se miniaturni polprevodniški laserji pogosto uporabljajo pri komunikacijah, shranjevanju podatkov, medicinskem slikanju in kirurgiji, zaznavanju in meritvah, potrošniških elektroniki, proizvodnji, prikaza in razsvetljavi aditivov in drugih poljih.
Laserji za skaliranje je težji od tranzistorjev, saj se zanašajo na zelo različne mikroskopske delce-tranzistorji se zanašajo na elektrone, medtem ko se laserji zanašajo na fotone. V vidnih in skoraj infrardečih pasovih so fotonske valovne dolžine tri zaporedje večje od valovnih dolžin elektronov v tranzistorjih. Ob upoštevanju meje difrakcije je najmanjši način načina, v katerega je mogoče te fotone stiskati, približno devet vrst ali milijardokrat, večje kot pri elektroni v tranzistorju. Ključni izziv pri gradnji nanoskalnih laserjev je, kako prebiti mejo difrakcije in "stisniti" prostornino fotonov do meje. Premagovanje tega problema ne bo le bistveno spodbudilo razvoj fotonske tehnologije, ampak bo povzročilo tudi številne nove scenarije uporabe. Predstavljajte si, da lahko fotoni, tako kot elektroni, prožno manipuliramo na nanometrski lestvici, lahko uporabimo svetlobo za neposredno opazovanje fine strukture DNK, lahko pa ustvarimo tudi obsežne optoelektronske integrirane čipe, hitrost in učinkovitost obdelave informacij pa bosta močno izboljšati.
V zadnjih letih je prek površinskih plazmonov in mehanizmov lokalizacije svetlobnega polja edinstveno točko laserski način presegel mejo optične difrakcije in vstopila v nanoskalo, kar je povzročilo nanolaserje.
1. Odprite svetla vrata, da raziščete neznano
V naravi se svetloba nastaja na dva načina: spontano sevanje in stimulirano sevanje.
Spontano sevanje je čudovit postopek. Tudi v popolni temi in brez zunanjih fotonov lahko snov oddaja svetlobo sama. To je zato, ker vakuum res ni "prazen". Napolnjena je z drobnimi nihanji energije, imenovana vakuumska ničelna točka energije. Vakuumska ničelna točka energija lahko povzroči vzbujeno snov za sproščanje fotonov. Na primer, osvetlitev sveče ustvari svečo. Zgodovino človeške uporabe ognja je mogoče zaslediti pred več kot milijon let. Ogenj je človeškim prednikom prinesel svetlobo in toplino in odprl poglavje civilizacije. Plameni in žarnice z žarilnimi žarnicami so obe spontani viri sevanja. Zažgejo ali segrejejo, da postavijo elektrone v visokoenergijsko stanje, nato pa sproščajo fotone pod delovanjem vakuumske ničelne točke energije za osvetlitev sveta.
Stimulirano sevanje razkriva globljo interakcijo med svetlobo in snovjo. Ko zunanji foton preide skozi snov v vznemirjenem stanju, sproži snov, da sprosti nov foton, ki je popolnoma enak kot vpadni foton. Ta "kopirani" foton naredi svetlobnega žarka zelo usmerjen in dosleden, kar je laser, ki ga poznamo. Čeprav je izum laserja pred manj kot stoletjem, je bil hitro vključen v javno življenje, kar je povzročilo spremembe, ki pretresajo zemljo.
Izum laserja je človeštvu odprl svetla vrata za raziskovanje neznanega. Omogoča nam močna orodja in močno spodbuja razvoj sodobne civilizacije. Na področju informacij in komunikacije so laserji omogočili, da so komunikacije z visoko hitrostjo, optične vlaken in omogočile globalno medsebojno povezovanje. V zdravstveni negi je za lasersko operacijo značilna velika natančnost in minimalno invazivnost, ki bolnikom zagotavlja varnejše in učinkovitejše metode zdravljenja. V industrijski proizvodnji lasersko rezanje in varjenje izboljšata učinkovitost proizvodnje in natančnost izdelka, kar ljudem omogoča ustvarjanje bolj izpopolnjenih strojev in opreme. V znanstvenih raziskavah so laserji ključna orodja za odkrivanje gravitacijskih valov in kvantno informacijsko tehnologijo, ki znanstvenikom pomagajo razkriti skrivnosti vesolja.
Od laserskega tiskanja in medicinskih lepot v vsakdanjem življenju do nadzorovane jedrske fuzije, laserskega radarja in laserskega orožja v vrhunski tehnologiji so laserji povsod in močno vplivajo na razvoj sveta. Ni samo spremenil našega načina življenja, ampak je tudi razširil sposobnost človeka, da razumejo in preoblikujejo naravo.
2. Močna orodja za razumevanje in izkoriščanje narave
Navdušen nad Planckovim zakonom o sevanju v črnem telesu je Einstein leta 1917 predlagal koncept stimuliranega sevanja in to odkritje je postavilo temelje za izum laserjev. Leta 1954 so ameriški znanstveniki Townes in drugi prvič poročali o mikrovalovnim oscilatorju, ki ga je realiziral stimulirano sevanje, in sicer mikrovalovni maser. Za pridobivanje medijev so uporabili vzbujene molekule amoniaka in za zagotavljanje povratnih informacij uporabljali mikrovalovno resonančno votlino približno 12 cm, pri čemer so uresničili mikrovalovne maserje z valovno dolžino približno 12,56 cm. Mikrovalovni maser velja za predhodnika laserja, vendar lahko laser proizvaja koherentno sevanje z višjo frekvenco, s prednosti, kot so manjši volumen, večja intenzivnost in večja nosilnost informacij.
Leta 1960 je ameriški znanstvenik Maiman izumil prvi laser. Uporabil je rubinsko palico približno 1 cm dolg, ko je dobiček medija, dva konca palice pa sta bila srebrna, da bi delovala kot reflektorji za zagotavljanje optičnih povratnih informacij. Pod vzbujanjem bliskovite svetilke je naprava ustvarila laserski izhod z valovno dolžino 694,3 nanometrov. Omeniti velja, da je velikost mikrovalovnega maserja na istem vrstnem redu kot njegova valovna dolžina. V skladu s tem sorazmernim odnosom bi morala biti velikost laserja približno 700 nanometrov. Vendar je bila velikost prvega laserja veliko večja od tega, za več kot 4 vrst. Približno 30 let je trajalo, da se je laser skrčil na velikost, primerljivo z valovno dolžino, in trajalo je pol stoletja, da se je prebil skozi mejo valovne dolžine in uresničil globoke laserje s supervelovno dolžino.
V primerjavi z navadnimi svetlobnimi viri je energija sevanja mikrovalovnih maserjev in laserjev koncentrirana v zelo ozkem frekvenčnem območju. Zato lahko ta dva izuma s stimuliranim sevanjem štejemo za lokalizacijo elektromagnetnih valov v frekvenčnem prostoru. Stimulirano sevanje lahko uporabimo tudi za lokalizacijo elektromagnetnih valov v času, zagonu in prostoru. Z lokalizacijo elektromagnetnih valov v teh dimenzijah lahko laserski viri svetlobe dosežejo izjemno stabilna frekvenčna nihanja, ultra kratkotrajne impulze, visoko usmerjenost in izjemno majhne količine načina, kar nam omogoča natančno merjenje časa, opaziti hitro gibanje, prenos informacij in energije v dolgih razdaljah , doseči miniaturizacijo naprav in pridobiti večjo ločljivost slikanja.
Od pojavljanja laserjev ljudje nenehno zasledujejo močnejšo lokalizacijo svetlobnih polj v dimenzijah, kot so frekvenca, čas, zagon in prostor, ki spodbujajo hiter razvoj laserskih raziskav fizike in laserske naprave, zaradi česar so laserji močno orodje za razumevanje in uporabo narave .
V frekvenčni dimenziji lahko s kakovostno votlino, nadzorom povratnih informacij in okoljske izolacije laserji vzdržujejo izjemno stabilne frekvence, kar spodbuja preboje v številnih večjih znanstvenih raziskavah, kot je Bose-Einstein Condenzacija (Nobelova nagrada v fiziki), natančna spektroskopija Laser Laser ( 2005 Nobelova nagrada za fiziko) in Gravitacijsko odkrivanje valov (2017 Nobelova nagrada v fiziki).
V časovni dimenziji tehnologija zaklepanja načina in tehnologija harmonične proizvodnje visokega reda ultrashort laserske impulze uresničijo. Skozi skrajno lokalizacijo lahko atosekundni laserji ustvarijo lahke impulze, ki trajajo le približno en optični cikel. Ta preboj omogoča opazovanje ultra hitrih procesov, kot je gibanje elektronov v notranji plasti atomov, in osvojil leta 2023 Nobelovo nagrado v fiziki.
V dimenziji zagona je razvoj laserjev z enim načina velikega območja dosegel visoko stopnjo lokalizacije svetlobnega polja v prostoru za zagon, zaradi česar je laserski žarek zelo usmerjen. Pričakuje se, da bo posledica zelo kolimiranega laserja spodbujala razvoj medzvezdnih visokohitrostnih optičnih komunikacij z ultra dolgimi razdaljami.
V prostorski dimenziji uvedba površinskih plazmonov in mehanizmov lokalizacije lahkega polja singularnosti omogoča, da se volumen laserskega načina prebije skozi mejo optične difrakcije in doseže lestvico manj kot (λ/2n) 3 (kjer je λ valovna dolžina prostega prostora svetlobe svetlobe in n je indeks loma materiala), s čimer se rodi nanolaserje. Pojav nanolaserjih ima daljnosežen pomen za inovacije informacijske tehnologije in preučevanje interakcije med svetlobo in snovjo v ekstremnih pogojih.
3. Razbijanje omejitve optične difrakcije
Več kot 30 let po izumu laserja z napredovanjem tehnologije mikro obdelave in globljim razumevanjem laserskih fizičnih raziskav in laserskih naprav so bile razvite različne vrste mikro polprevodniških laserjev, vključno z laserji z mikro diskom , fotonski kristalni laserji in nanowire laserji. Leta 1992 so Bell Laboratories v Združenih državah uspešno uresničili prvi laser za mikro disk, pri čemer je uporabil način šepetanja galerije v mikro disku, da bi omogočil, da se svetloba večkrat odseva v mikro disku, ustvari resonančno povratno informacijo in doseže lasing. Leta 1999 je kalifornijski tehnološki inštitut v Združenih državah Amerike spoznal prvi laser fotonske kristalne napake z uvedbo točkovnih napak v dvodimenzionalnih fotonskih kristalih, da bi omejil svetlobo. Leta 2001 je kalifornijska univerza v Berkeleyju prvič uspešno uresničila polprevodniške nanowire laserje z uporabo končnega obraza nanowireja kot reflektorja. Ti laserji zmanjšujejo velikost značilnosti na vrstni red ene vakuumske valumne dolžine, vendar je zaradi omejitev omejitve optične difrakcije te laserje, ki temeljijo na dielektričnih resonatorjih, težko nadaljevati.
V geometriji je dolžina desne strani desnega trikotnika manjša od dolžine hipotenuze. Na mikroskopski lestvici mora biti dolžina obeh strani z desnim kosom večja od hipotenuze. Leta 2009 so tri ekipe na svetu najprej realizirale plazmonične nanolaserje, ki so se prebili skozi mejo optične difrakcije. Med njimi je ekipa kalifornijske univerze, Berkeley in Peking uresničila plazmonični nanolaser, ki temelji na enodimenzionalni polprevodniški strukturi nanowire-insulatorja-kovine; Skupina tehnološke univerze Eindhoven na Nizozemskem in državni univerzi v Arizoni v ZDA je razvila plazmonični nanolaser, ki temelji na kovinsko-polprevodniškem triplastnih ploščatih konstrukciji; Ekipa državne univerze Norfolk in univerze Purdue v ZDA je pokazala plazmonično nanolaser v jedrnaši lupini, ki temelji na kovinski jedristi srednji lupini, ki temelji na lokalizirani površinski plazmonski resonanci.
Z drugimi besedami, znanstveniki so z uvedbo namišljenih enot v disperzijsko enačbo dejansko zgradili poseben trikotnik z desno zdržano stranjo, daljšo od hipotenuze. Prav ta poseben trikotnik nam omogoča fizično doseganje močnejše lokalizacije svetlobnega polja.
Po več kot 10 letih razvoja so plazmonski nanolaserji pokazali odlične značilnosti, kot so izjemno majhna volumen načina, hitrost modulacije ultra hitre modulacije in nizka poraba energije. Vendar v primerjavi z dielektričnimi materiali, čeprav plazmonski učinek povezuje svetlobno polje s kolektivnim nihanjem prostih elektronov v kovinah, da dosežemo močnejšo lokalizacijo svetlobnega polja poraba in omejuje čas skladnosti.
Leta 2024 je ekipa Univerze Peking predlagala novo disperzijsko enačbo singularnosti, ki je razkrila disperzijske značilnosti vse dielektrične nanoantene. Z vgradnjo nanoantene nanokavske vezi v vogalno strukturo nanokavityja, ki jo je predlagala ekipa Peking University, je bil v dielektričnem sistemu prvič realiziran dielektrični nanolaser, ki razbije mejo optične difrakcije. Ta konstrukcijska zasnova omogoča, da se svetlobno polje stisne v skrajnost, teoretično pa lahko doseže neskončno majhen volumen načina, kar je veliko manjše od omejitve optične difrakcije. Poleg tega prefinjena struktura vogalne nanokavitosti še poveča zmogljivost skladiščenja svetlobnega polja, kar daje nanolaserju Singularnost zelo visok faktor kakovosti in njegov faktor kakovosti optične votline (tj na izgubljeno energijo na cikel) lahko preseže milijon.
Ekipa University Peking je nadalje razvila tehnologijo optične frekvence, ki temelji na nanolaserjih. Uspešno so pokazali močan potencial matrične koherentne tehnologije za lasing, tako da so natančno nadzirali lasno valovno dolžino in fazo vsakega nanolaserja v laserskem nizu. Na primer, ekipa je s to tehnologijo uporabila za doseganje optičnega frekvenčnega niza skladnega lesa v vzorcih, kot so "P", "K", "U", "Kitajska" in "Kitajska", kar je pokazalo svoje široke možnosti uporabe na področju integrirane fotonike , mikro-nano lahke vire in optične komunikacije. (Avtor: Ma Renmin, profesor šole za fiziko, Univerza Peking)
