O nanolaser é um tipo de dispositivo micro e nano feito de nanomateriais, como nanofios que atuam como ressonadores, e que emite laser sob fotoexcitação ou excitação elétrica. O tamanho desse laser geralmente é de apenas centenas ou até dezenas de micrômetros, e o diâmetro chega à ordem nanométrica, sendo uma peça importante para o futuro das telas de filme fino, óptica integrada e outras áreas.
Classificação de nanolasers:
1. Laser de nanofio
Em 2001, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, nos Estados Unidos, criaram o menor laser do mundo – um nanolaser – em um nanofio óptico com apenas um milésimo do comprimento de um fio de cabelo humano. Este laser não só emite raios ultravioleta, como também pode ser ajustado para emitir lasers que variam do azul ao ultravioleta profundo. Os pesquisadores utilizaram uma técnica padrão chamada epifitação orientada para criar o laser a partir de cristais de óxido de zinco puro. Primeiro, eles “cultivaram” nanofios, ou seja, formaram nanofios de óxido de zinco puro sobre uma camada de ouro com diâmetro de 20 nm a 150 nm e comprimento de 10.000 nm. Em seguida, quando os pesquisadores ativaram os cristais de óxido de zinco puro nos nanofios com outro laser em uma estufa, os cristais emitiram um laser com um comprimento de onda de apenas 17 nm. Tais nanolasers poderiam eventualmente ser usados para identificar substâncias químicas e melhorar a capacidade de armazenamento de informações em discos rígidos e computadores fotônicos.
2. Nanolaser ultravioleta
Após o advento dos microlasers, lasers de microdisco, lasers de microring e lasers de avalanche quântica, o químico Yang Peidong e seus colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley, criaram nanolasers que operam em temperatura ambiente. Este nanolaser de óxido de zinco (ZnO) emite um laser com largura de linha inferior a 0,3 nm e comprimento de onda de 385 nm sob excitação luminosa, sendo considerado o menor laser do mundo e um dos primeiros dispositivos práticos fabricados com nanotecnologia. Na fase inicial de desenvolvimento, os pesquisadores previram que este nanolaser de ZnO seria fácil de fabricar, teria alto brilho, tamanho reduzido e desempenho igual ou até superior ao dos lasers azuis de GaN. Devido à possibilidade de produzir arranjos de nanofios de alta densidade, os nanolasers de ZnO podem ser aplicados em diversas áreas que não são possíveis com os dispositivos de GaAs atuais. Para o crescimento desses lasers, os nanofios de ZnO são sintetizados pelo método de transporte gasoso, que catalisa o crescimento epitaxial do cristal. Primeiramente, o substrato de safira é revestido com uma camada de ouro de 1 nm a 3,5 nm de espessura e, em seguida, colocado em um cadinho de alumina. O material e o substrato são aquecidos a 880 °C a 905 °C em um fluxo de amônia para produzir vapor de zinco (Zn). Esse vapor de zinco é então transportado para o substrato. Nanofios de 2 μm a 10 μm com seção transversal hexagonal são gerados durante o processo de crescimento, que dura de 2 a 10 minutos. Os pesquisadores descobriram que os nanofios de ZnO formam uma cavidade laser natural com diâmetro de 20 nm a 150 nm, sendo que a maioria (95%) apresenta diâmetro entre 70 nm e 100 nm. Para estudar a emissão estimulada dos nanofios, os pesquisadores bombearam opticamente a amostra em uma estufa com a quarta harmônica de um laser Nd:YAG (comprimento de onda de 266 nm, largura de pulso de 3 ns). Durante a evolução do espectro de emissão, a luz é modulada com o aumento da potência de bombeamento. Quando a emissão laser ultrapassa o limiar do nanofio de ZnO (cerca de 40 kW/cm), o ponto de maior intensidade aparece no espectro de emissão. A largura de linha desses pontos de maior intensidade é inferior a 0,3 nm, o que representa mais de 1/50 da largura de linha do vértice de emissão abaixo do limiar. Essas larguras de linha estreitas e os rápidos aumentos na intensidade de emissão levaram os pesquisadores a concluir que a emissão estimulada de fato ocorre nesses nanofios. Portanto, esse conjunto de nanofios pode atuar como um ressonador natural e, assim, tornar-se uma fonte de microlaser ideal. Os pesquisadores acreditam que esse nanolaser de comprimento de onda curto pode ser utilizado nas áreas de computação óptica, armazenamento de informações e nanoanalisadores.
3. Lasers de poço quântico
Antes e depois de 2010, a largura da linha gravada no chip semicondutor atingirá 100 nm ou menos, e haverá apenas alguns elétrons se movendo no circuito. O aumento ou diminuição do número de elétrons terá um grande impacto na operação do circuito. Para resolver esse problema, surgiram os lasers de poço quântico. Na mecânica quântica, um campo potencial que restringe o movimento dos elétrons e os quantiza é chamado de poço quântico. Essa restrição quântica é usada para formar níveis de energia quântica na camada ativa do laser semicondutor, de modo que a transição eletrônica entre os níveis de energia domine a radiação excitada do laser, caracterizando-o como um laser de poço quântico. Existem dois tipos de lasers de poço quântico: lasers de linha quântica e lasers de ponto quântico.
① Laser de linha quântica
Cientistas desenvolveram lasers de fio quântico que são 1.000 vezes mais potentes que os lasers tradicionais, dando um grande passo rumo à criação de computadores e dispositivos de comunicação mais rápidos. O laser, que pode aumentar a velocidade de áudio, vídeo, internet e outras formas de comunicação em redes de fibra óptica, foi desenvolvido por cientistas da Universidade de Yale, da Lucent Technologies Bell Labs em Nova Jersey e do Instituto Max Planck de Física em Dresden, Alemanha. Esses lasers de maior potência reduziriam a necessidade de repetidores caros, instalados a cada 80 km (50 milhas) ao longo da linha de comunicação, que, por sua vez, produzem pulsos de laser menos intensos à medida que viajam pela fibra (repetidores).
Data da publicação: 15 de junho de 2023