Conceito e classificação de nanolasers

Nanolaser é um tipo de micro e nano dispositivo feito de nanomateriais, como nanofios, como ressonador e pode emitir laser sob fotoexcitação ou excitação elétrica. O tamanho desse laser geralmente é de apenas centenas de mícrons ou mesmo dezenas de mícrons, e o diâmetro chega à ordem do nanômetro, que é uma parte importante da futura exibição de filme fino, óptica integrada e 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 – os nanolasers – no fio nanoóptico com apenas um milésimo do comprimento de um fio de cabelo humano. Este laser não só 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 epífita orientada para criar o laser a partir de cristais de óxido de zinco puro. Eles primeiro “cultivaram” nanofios, ou seja, formados sobre uma camada de ouro com diâmetro de 20nm a 150nm e comprimento de 10.000 nm de fios de óxido de zinco puro. 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 comprimento de onda de apenas 17 nm. Esses nanolasers poderiam eventualmente ser usados ​​para identificar produtos químicos e melhorar a capacidade de armazenamento de informações de discos de computador e computadores fotônicos.

2. Nanolaser ultravioleta

Após o advento dos microlasers, lasers de microdisco, lasers de microanel e lasers de avalanche quântica, o químico Yang Peidong e seus colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley, fabricaram 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, que é 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 é fácil de fabricar, tem alto brilho, tamanho pequeno e desempenho igual ou até melhor que os lasers azuis de GaN. Devido à capacidade de criar matrizes de nanofios de alta densidade, os nanolasers de ZnO podem entrar em muitas aplicações que não são possíveis com os dispositivos GaAs atuais. Para fazer crescer tais lasers, o nanofio de ZnO é sintetizado pelo método de transporte de gás que catalisa o crescimento do cristal epitaxial. Primeiro, o substrato de safira é revestido com uma camada de filme de ouro de 1 nm ~ 3,5 nm de espessura e, em seguida, colocado em um barco de alumina, o material e o substrato são aquecidos a 880 ° C ~ 905 ° C no fluxo de amônia para produzir Vapor de Zn e então o vapor de Zn é transportado para o substrato. Nanofios de 2μm~10μm com área de seção transversal hexagonal foram gerados no processo de crescimento de 2min~10min. Os pesquisadores descobriram que o nanofio de ZnO forma uma cavidade de laser natural 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 quarta saída harmônica de um laser Nd:YAG (comprimento de onda de 266 nm, largura de pulso de 3ns). Durante a evolução do espectro de emissão, a luz fica prejudicada com o aumento da potência da bomba. Quando o laser excede o limite do nanofio de ZnO (cerca de 40kW/cm), o ponto mais alto aparecerá no espectro de emissão. A largura da linha desses pontos mais altos é inferior a 0,3 nm, o que é mais de 1/50 menor que a largura da linha do vértice de emissão abaixo do limite. Essas larguras de linha estreitas e os rápidos aumentos na intensidade das emissões levaram os pesquisadores a concluir que a emissão estimulada realmente ocorre nesses nanofios. Portanto, esta matriz de nanofios pode atuar como um ressonador natural e, assim, tornar-se uma fonte ideal de microlaser. Os pesquisadores acreditam que este nanolaser de comprimento de onda curto pode ser usado nas áreas de computação óptica, armazenamento de informações e nanoanalisador.

3. Lasers de poço quântico

Antes e depois de 2010, a largura da linha gravada no chip semicondutor atingirá 100nm ou menos, e haverá apenas alguns elétrons se movendo no circuito, e o aumento e a diminuição de um elétron terão um grande impacto na operação do circuito. Para resolver esse problema, nasceram os lasers de poços quânticos. 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 pontos quânticos.

① Laser de linha quântica

Os cientistas desenvolveram lasers de fio quântico que são 1.000 vezes mais poderosos que os lasers tradicionais, dando um grande passo na 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, que são instalados a cada 80 km (50 milhas) ao longo da linha de comunicação, produzindo novamente pulsos de laser que são menos intensos à medida que viajam através da fibra (repetidores).