Laseri se široko koriste u komunikacijama, medicinskim snimanju i hirurgiji, potrošačkoj elektronici i drugim poljima i duboko su promijenili živote ljudi. Posljednjih godina, kako bi se veličina lasera manji, naučnici razvili nanolazere, koji ne samo da dodatno promoviraju minijaturizaciju i integraciju fotonskih uređaja, već otvaraju i nove staze za proučavanje interakcije između svjetla i materije u ekstremnim uvjetima. Ovaj članak započinje generacijom svjetla i odvodi vas da u dubini istražite svijet nanolazera.
U oblasti informatičke tehnologije tranzistori i laseri su dvije osnovne komponente. Minijarizacija tranzistora promovirala je brzi razvoj elektronskih čipova i pokrenulo dobro poznato Mooreov zakon - broj tranzistora koji se mogu smjestiti na integrirani krug udvostručit će se svakih 18 mjeseci ili tako nešto. Ovaj trend je gurnuo veličinu najnaprednijih tranzistora na nivo na nanometara. Trenutno se više od 10 milijardi tranzistora može integrirati u mobilni telefon i računarske čipove koje javno koristi javnost, dajući tim uređajima moćne mogućnosti obrade informacija i promoviraju dolazak digitalne i inteligentne ere. U isto vrijeme, minijaturizacija lasera pokrenula je revoluciju u fotonoj tehnologiji. Nakon više od pola stoljeća razvoja, minijaturni poluvodički laseri široko se koriste u komunikacijama, pohranu podataka, medicinskim snimakom i hirurgijom, osjetljivom i mjerenju, potrošačku elektroniku, aditiv i druga polja.
Skaliranje lasera je teže od tranzistora jer se oslanjaju na vrlo različite mikroskopske čestice - koji se oslanjaju na elektrone, dok se laseri oslanjaju na fotone. U vidljivim i gotovo infracrvenim bendovima, fotonske valne duljine su tri reda veličine veće od talasnih dužina elektrona u tranzistorima. Podložno ograničenju difrakcije, minimalna glasnoća režima u koju se mogu stisnuti ovi fotoni iznosi oko devet narudžbi veličine ili milijardu timeda, veće od elektrona u tranzistoru. Osnovni izazov u izgradnji Nanoscale Lasera je kako se probiti kroz difrakcijsku granicu i "komprimirati" jačinu fotona do granice. Prevladavajući ovaj problem neće samo značajno promovirati razvoj fotonske tehnologije, već će dovesti i do mnogih novih scenarija aplikacija. Zamislite da kada fotoni, poput elektrona, može se fleksibilno manipulirati na skali na nanometrom, možemo upotrijebiti svjetlost da bismo direktno posmatrali finu strukturu DNK-a, a možemo stvoriti i velike optoelektronske integrirane čipove i brzinu i efikasnost prenosa informacija i efikasnost biti uvelike poboljšani.
Posljednjih godina, kroz površinski plasmons i mehanizmi za lokaciju pojedinačnog tačaka, laserski režim glasnoća premašila je optičku difrakcijsku granicu i ušla u nanoskale, čime se dovodi do nanolazera.
1. Otvorite vedra vrata da biste istražili nepoznato
U prirodi se svjetlost generira na dva načina: spontano zračenje i stimulirano zračenje.
Spontano zračenje je prekrasan proces. Čak i u potpunoj tami i bez ikakvih vanjskih fotona, materija može sami emitirati svjetlost. To je zato što vakuum nije istinski "prazan". Ispunjen je sitnim fluktuacijama energije, nazvanih energijom vakuumske nula. Energija vakuuma nula točka može izazvati uzbuđenu materiju za oslobađanje fotona. Na primjer, osvjetljavanje svijeće proizvodi svijeće. Istorija ljudske upotrebe vatre može se pratiti pre više od 1 miliona godina. Vatra je donijela svjetlost i toplinu ljudskim precima i otvorio poglavlje civilizacije. Flames i žarulje sa žarnom niti su i spontani izvori zračenja. Izgaraju ili toplinu da postave elektrone u stanje visokog energije, a zatim otpustite fotone pod djelovanjem energije vakuumske nule da biste osvjetljavali svijet.
Stimulirano zračenje otkriva dublju interakciju između svjetla i materije. Kad vanjski foton prođe kroz supstancu u uzbuđenom stanju, pokreće tvar da bi se oslobodila novog fotona koji je potpuno isti kao i incidentni foton. Ovaj "kopirani" foton čini laganu gredu visoko usmjerenu i dosljednu, što je laser koji smo upoznati. Iako je izum lasera prije manje od jednog stoljeća, brzo je integriran u javni život, dovođenjem o promjenama zemlje u zemlji.
Izum lasera otvorio je svijetlu vrata za čovječanstvo da istraži nepoznato. Pruža nam snažne alate i uvelike promovira razvoj moderne civilizacije. U oblasti informacija i komunikacije, laseri su napravili velike brzine optičke komunikacije stvarnost i omogućili su globalnu mogućnost interkonekcije. U medicinskoj skrbi, laserska hirurgija karakterizira visoku preciznost i minimalno invazivnost, pružajući pacijente sigurnijim i efikasnijim metodama liječenja. U industrijskoj proizvodnji, lasersko rezanje i zavarivanje poboljšavaju efikasnost proizvodnje i preciznost proizvoda, omogućavajući ljudima da stvaraju sofisticiranije mašine i opremu. U naučnim istraživanjima laseri su ključni alati za intenziranje gravitacijskog talasa i kvantnu informacijsku tehnologiju, pomažući naučnicima da otkriju misterije svemira.
Od laserskog tiska i medicinske ljepote u svakodnevnom životu za kontroliranu nuklearnu fuziju, laserski radar i lasersko oružje u vrhunskoj tehnologiji, laseri su svugdje i imaju dubok utjecaj na razvoj svijeta. To nije samo promenilo naš način života, već je takođe proširio sposobnost ljudskih bića da razumeju i transformišu prirodu.
2. Snažni alati za razumijevanje i priroku kablova
Inspirisan Planckovim zakonom o zračenju crnka, Ajnštajn je predložio koncept poticanog zračenja 1917. godine, a ovo otkriće postavilo temelj za izum lasera. 1954. godine, američki naučnici i drugi prvi su izvijestili o mikrotalasnom oscilatoru ostvarenom poticanjem zračenja, naime mikrotalasni maser. Koristili su uzbuđene molekule amonijaka kao dobitak medija i koristili su mikrovalnu rezonantnu šupljinu dugačka oko 12 cm kako bi se pružila povratne informacije, realiziraju mikrovalne masire sa talasnim dužinama od oko 12,56 cm. Mikrovalna pećnica smatra se prethodnikom laserom, ali laser može proizvesti koherentno zračenje na višoj frekvenciji, s prednostima kao što je manji jačini, veći intenzitet i veće nosivosti podataka.
1960. godine američki naučnik Maiman izumio je prvi laser. Koristio je rubin štap duže od 1 cm, kao što su dobitak medij, a dva kraja štapa bili su srebrni da djeluju kao reflektori za pružanje optičkih povratnih informacija. Pod uzbunom bljeskalice, uređaj je proizveo laserski izlaz sa talasnom dužinom od 694,3 nanometara. Vrijedno je napomenuti da je veličina mikrovalne maserke na istom redoslijedu veličine kao svoju talasnu dužinu. Prema ovom proporcionalnom odnosu, veličina lasera treba biti oko 700 nanometara. Međutim, veličina prvog lasera bila je mnogo veća od ovoga, za više od 4 narudžbe veličine. Trebalo je oko 30 godina da se smanji laserom u veličinu uporedivu sa talasnim dužinama, a trebalo je pola stoljeća da se probije kroz ograničenje talasne dužine i realizirali duboke lasere dubine.
U usporedbi s običnim izvorima svjetlosti, zračenje energije mikrovalnih masira i lasera koncentrirano je u vrlo užem frekvencijskom rasponu. Stoga se ova dva izuma mogu smatrati lokaliziranjem elektromagnetskih valova u frekvencijskom prostoru kroz stimulirano zračenje. Stimulirano zračenje može se koristiti i za lokalizaciju elektromagnetskih valova u vremenu, zamahu i dimenzijama prostora. Lokaliziranje elektromagnetskih talasa u tim dimenzijama, izvori laserskih svetlosti mogu postići izuzetno stabilne frekvencijske oscilacije, ultra kratke impulse, visoku usmjerenost i izuzetno male količine režima, što nam omogućava precizno izmjeriti vrijeme, prenositi brzi prijedlog, prenose informacije i energiju na velike udaljenosti , postići minijaturizaciju uređaja i dobiti višu rezoluciju snimanja.
Od pojave lasera, ljudi neprestano traže jaču lokalizaciju svjetlosnih polja u dimenzijama poput frekvencije, vremena, zamaha i prostora, promovirajući brzi razvoj istraživanja laserskih fizika i lasera, čineći snažan alat za razumijevanje i korištenje prirode .
U frekvencijskoj dimenziji, visokokvalitetnom šupljinom, kontrola povratne informacije i izolacija okoliša, laseri mogu održavati izuzetno stabilne frekvencije, promoviraju proboj u mnogim glavnim naučnim istraživanjima, poput Convenseta Bose-Einsteina (2001. Nobelova nagrada u fizici), precizna laserska spektroskopija ( 2005. Nobelova nagrada u fizici) i detekcija gravitacionog talasa (Nobelova nagrada za 2017. u fizici).
U vremenskoj dimenziji tehnologija zaključavanja načina i tehnologija harmonične generacije visoke narudžbe čine ultrašort laseru impulse stvarnost. Kroz ekstremnu vremensku lokalizaciju, attosekundi laseri mogu proizvesti lagane impulse koji traju samo jedan optički ciklus. Ovaj proboj omogućava promatranje ultra tasta procesa poput kretanja elektrona u unutrašnjem sloju atoma i osvojio je Nobelovu nagradu 2023. u fizici.
U dimenziji zamaha, razvoj jednostavnih lasera s jednim režimom velikog područja postigao je visok stupanj lokalizacije svjetlosnog polja u momentalnom prostoru, čineći laserskih snopa vrlo usmjerava. Očekuje se da će rezultirajući visoko kolimirani laser promovirati razvoj ultra-dugim međuzleznim optičkim komunikacijama velike brzine.
U prostornoj dimenziji, mehanizmi lokalnog plasmana i pojedinačno svjetlosni plasman omogućava da se laserski režim glasnoća prekine kroz optičku difrakcijsku granicu i dostići ljestvicu manju od (gdje λ je talasna dužina slobodnog svjetla i n je indeks refraktara materijala), čime se rodi nanolazerima. Nastanak nanolazera ima dalekosežan značaj za inoviranje informacione tehnologije i proučavanje interakcije između svjetla i materije u ekstremnim uvjetima.
3. Razbijanje optičke granice difrakcije
Više od 30 godina nakon izuma lasera, uz napredak tehnologije mikro-obrade i dubljeg razumijevanja laserskih fizičarskih istraživanja i laserskih uređaja, razvijene su različite vrste mikro poluvodičkih lasera, uključujući mikro-diskovne lasere , FOTONIČKI KRISTALNI FAREKTNI LASERS I NANOWIRE LASERS. 1992. godine, Bell Laboratorije u Sjedinjenim Državama uspješno su realizirale prvi laser mikro-diska, koristeći šapuću galeriju na mikro-disku kako bi se svjetlo omogućilo da se više puta odražava na mikro-disk, generira rezonantnu povratnu informaciju i postigne rezonantnu povratnu informaciju i postizanje laze. 1999. godine, Kalifornijski institut za tehnologiju u Sjedinjenim Državama realizirala je prvu fotoničku kristalnu laseru laserom uvođenjem mandata u dvodimenzionalnim fotonskim kristalima za ograničavanje svjetlosti. 2001. godine, Univerzitet u Kaliforniji, Berkeley, uspješno realizirao je poluvodiče nanowire lasere prvi put koristeći krajnje lice nanowire kao reflektora. Ovi laseri smanjuju veličinu značajke na redoslijed jedne vakuumske valne duljine, ali zbog ograničenja optičkog difrakcijskog granica, ovi laseri zasnovani na dielektričnim rezonatorima teško se smanji.
U geometriji duljina desne boje desnog trougla manja je od dužine hipotenuze. Na mikroskopskoj skali, da biste prekinuli ograničenje difrakcije, duljina dviju bočnih strana podređene potrebe treba biti veća od hipotenuze. U 2009. godini tri ekipe na svijetu prvo su realizirali plasmonični nanolazeri koji su provalili kroz optičku difrakcijsku granicu. Među njima, tim Univerziteta u Kaliforniji, Berkeley i Peking univerzitet realizirao je plazmonski nanolaser zasnovan na jednodimenzionalnom poluvodičkom nanowire-izolatoru-metalnu strukturu; Tim Eindhoven Univerziteta u Nizozemskoj i Državnom univerzitetu u Americi u Sjedinjenim Državama razvio je plasmonic nanolaser na bazi metalne poluvodičke metalne strukture ravne ploče; Tim univerziteta Norfolk State i Purdue u Sjedinjenim Državama pokazao je core-školjku strukturu plasmonic nanolaser na bazi metalnog jezgrenog ugrađenog dobijanja srednje granate na bazi lokaliziranog rezonancije plasmana.
Drugim riječima, uvođenjem imaginarnih jedinica u disperzijskoj jednadžbi, naučnici su zapravo izgradili poseban trokut sa desnom kutom duže od hipotenuze. To je ovaj poseban trokut koji nam omogućava da fizički postižemo jače lokalizaciju svjetlosnog polja.
Nakon više od 10 godina razvoja, plasmon nanolaseri pokazali su odlične karakteristike kao što su izuzetno mali volumen modulacije, ultra tast modulacijski brzina i male potrošnje energije. Međutim, u usporedbi sa dielektričnim materijalima, iako se plasmon efekt parovi sa kolektivnim oscilacijama slobodnih elektrona u metalima radi postizanja jače svjetlosnog polja lokalizacije, ovo spojnica uvodi i dosljedice za proizvodnju topline, što zauzvrat povećava snagu uređaja Potrošnja i ograničava svoje životno vrijeme.
2024. godine, univerzitetski tim Pekinga predložio je novu jednadžbu disperzije jedinstvenosti, otkrivajući disperzijske karakteristike all-dielektričnog luka nanoantenna. Ugrađujući kravatu nanoantennu u kutku nanocavity strukturu koju je predložio univerzitetski tim Peking, dielektrični nanolaser s jedinstvenim nanolazom koji prekida optičku difrakcijsku granicu prvi put je realizirana u dielektričnom sustavu. Ovaj strukturalni dizajn omogućava komprimiranje svjetlosnom polju na krajnje, a teoretski može dostići beskonačno zapreminu malog režima, što je mnogo manje od optičkog ograničenja difrakcije. Pored toga, sofisticirana struktura ugla nanocavity dalje povećava kapacitet skladištenja svjetlosnog polja, što daje jedinstvenost nanolaser ultra visoki faktor kvalitete, te njenu optičku faktor kvalitete (tj. Omjer energije pohranjene u optičkoj šupljini na energiju izgubljenu po ciklusu) može prelaziti milion.
Univerzitetski tim Pekinga dalje je razvio optičku frekvencijsku tehnologiju faze niza zasnovana na nanolazerima. Uspješno su pokazali snažan potencijal dosljedne lasing tehnologije precizno kontrolirajući lazivnu talasnu dužinu i fazu svakog nanolasera u laserskom nizu. Na primjer, tim je koristio ovu tehnologiju kako bi postigla optičku frekvencijsku situaciju u obliku uzoraka uzorcima kao što su "P", "K", "Kina" i "Kina", pokazujući njegove široke perspektive aplikacije u poljima integriranih fotonika , Micro-nano niz izvora svjetla i optička komunikacija. (Autor: MA RENMIN, profesor škole fizike, univerzitet Peking)
