Conceito e classificação de nanolasers

Nanolaser é um tipo de micro e nanodispositivo feito de nanomateriais, como nanofios, que funcionam como ressonadores e podem emitir laser sob fotoexcitação ou excitação elétrica. O tamanho desse laser costuma ser de apenas centenas ou até dezenas de mícrons, e o diâmetro pode chegar à ordem nanométrica, sendo uma parte importante dos futuros displays de filme fino, da óptica integrada e de outros campos.

Classificação do nanolaser:

1. Laser de nanofios

Em 2001, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley, nos Estados Unidos, criaram o menor laser do mundo – nanolasers – em um fio nanoóptico com apenas um milésimo do comprimento de um fio de cabelo humano. Este laser não apenas emite lasers ultravioleta, mas também pode ser ajustado para emitir lasers que variam do azul ao ultravioleta profundo. Os pesquisadores usaram uma técnica padrão chamada epifitação orientada para criar o laser a partir de cristais de óxido de zinco puro. Eles primeiro "cultivaram" nanofios, isto é, fios de óxido de zinco puro formados sobre uma camada de ouro com um diâmetro de 20 nm a 150 nm e um comprimento de 10.000 nm. Então, quando os pesquisadores ativaram os cristais de óxido de zinco puro nos nanofios com outro laser sob a estufa, os cristais de óxido de zinco puro emitiram um laser com um comprimento de onda de apenas 17 nm. Esses nanolasers poderiam eventualmente ser usados ​​para identificar substâncias químicas e melhorar a capacidade de armazenamento de informações de discos de computador e computadores fotônicos.

2. Nanolaser ultravioleta

Após o advento dos microlasers, microlasers de disco, microlasers de anel e lasers de avalanche quântica, o químico Yang Peidong e seus colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveram nanolasers à temperatura ambiente. Este nanolaser de óxido de zinco pode emitir 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. No estágio inicial de desenvolvimento, os pesquisadores previram que este nanolaser de ZnO seria fácil de fabricar, apresentaria alto brilho, tamanho reduzido e desempenho igual ou até superior ao dos lasers azuis de GaN. Devido à capacidade de produzir matrizes de nanofios de alta densidade, os nanolasers de ZnO podem ser utilizados em muitas aplicações que não são possíveis com os dispositivos de GaAs atuais. Para o crescimento desses lasers, o nanofio de ZnO é sintetizado pelo método de transporte de gás, que catalisa o crescimento epitaxial de cristais. Primeiramente, o substrato de safira é revestido com uma camada de filme de ouro de 1 nm a 3,5 nm de espessura e, em seguida, colocado em um recipiente de alumina. O material e o substrato são aquecidos a 880 °C a 905 °C em um fluxo de amônia para produzir vapor de Zn, que é então transportado para o substrato. Nanofios de 2 μm a 10 μm com área de seção transversal hexagonal foram gerados no processo de crescimento de 2 min a 10 min. Os pesquisadores descobriram que o nanofio de ZnO forma uma cavidade natural de laser com um diâmetro de 20 nm a 150 nm, e a maior parte (95%) de seu diâmetro é de 70 nm a 100 nm. Para estudar a emissão estimulada dos nanofios, os pesquisadores bombearam opticamente a amostra em uma estufa com a saída de quarto harmônico 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 laminada com o aumento da potência da bomba. Quando o laser excede o limiar do nanofio de ZnO (cerca de 40 kW/cm), o ponto mais alto aparecerá no espectro de emissão. A largura de linha desses pontos mais altos é inferior a 0,3 nm, o que é mais de 1/50 menor do que a 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, se tornar uma fonte ideal de microlaser. Os pesquisadores acreditam que esse nanolaser de comprimento de onda curto pode ser usado 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 atingiria 100 nm ou menos, e haveria apenas alguns elétrons se movendo no circuito, e o aumento e a diminuição de um elétron teriam 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, que é 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 mil 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 por redes de fibra óptica, foi desenvolvido por cientistas da Universidade de Yale, do 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, produzindo pulsos de laser menos intensos à medida que viajam pela fibra (Repetidores).