El nanolaser és un tipus de micro i nanodispositiu fet de nanomaterials com ara nanofils com a ressonador i que pot emetre làser sota fotoexcitació o excitació elèctrica. La mida d'aquest làser sovint és de només centenars de micres o fins i tot desenes de micres, i el diàmetre és de l'ordre dels nanometres, cosa que és una part important de la futura pantalla de pel·lícula fina, l'òptica integrada i altres camps.
Classificació dels nanolasers:
1. Làser de nanofils
El 2001, investigadors de la Universitat de Califòrnia, Berkeley, als Estats Units, van crear el làser més petit del món (nanolàsers) en un cable nanoòptic que només representa una mil·lèsima part de la longitud d'un cabell humà. Aquest làser no només emet làsers ultraviolats, sinó que també es pot sintonitzar per emetre làsers que van des del blau fins a l'ultraviolat profund. Els investigadors van utilitzar una tècnica estàndard anomenada epifitació orientada per crear el làser a partir de cristalls d'òxid de zinc pur. Primer van "cultivar" nanofils, és a dir, van formar cables d'òxid de zinc pur sobre una capa d'or amb un diàmetre de 20 nm a 150 nm i una longitud de 10.000 nm. Després, quan els investigadors van activar els cristalls d'òxid de zinc pur dels nanofils amb un altre làser sota l'hivernacle, els cristalls d'òxid de zinc pur van emetre un làser amb una longitud d'ona de només 17 nm. Aquests nanolàsers es podrien utilitzar eventualment per identificar productes químics i millorar la capacitat d'emmagatzematge d'informació dels discs d'ordinador i els ordinadors fotònics.
2. Nanolàser ultraviolat
Després de l'aparició dels microlàsers, els làsers de microdisc, els làsers de microanells i els làsers d'allaus quàntiques, el químic Yang Peidong i els seus col·legues de la Universitat de Califòrnia, Berkeley, van crear nanolàsers a temperatura ambient. Aquest nanolàser d'òxid de zinc pot emetre un làser amb una amplada de línia inferior a 0,3 nm i una longitud d'ona de 385 nm sota excitació lumínica, i es considera el làser més petit del món i un dels primers dispositius pràctics fabricats amb nanotecnologia. En la fase inicial de desenvolupament, els investigadors van predir que aquest nanolàser de ZnO és fàcil de fabricar, d'alta brillantor, de mida petita i amb un rendiment igual o fins i tot superior al dels làsers blaus de GaN. Gràcies a la capacitat de fabricar matrius de nanofils d'alta densitat, els nanolàsers de ZnO poden tenir moltes aplicacions que no són possibles amb els dispositius de GaAs actuals. Per tal de fer créixer aquests làsers, es sintetitza nanofil de ZnO mitjançant el mètode de transport de gas, que catalitza el creixement epitaxial de cristalls. Primer, el substrat de safir es recobreix amb una capa de pel·lícula d'or d'1 nm~3,5 nm de gruix i després es col·loca en una barca d'alúmina. El material i el substrat s'escalfen a 880 °C ~ 905 °C en un flux d'amoníac per produir vapor de Zn, i després el vapor de Zn es transporta al substrat. Es van generar nanofils de 2 μm~10 μm amb una àrea de secció transversal hexagonal en el procés de creixement de 2 min~10 min. Els investigadors van descobrir que el nanofil de ZnO forma una cavitat làser natural amb un diàmetre de 20 nm a 150 nm, i la major part (95%) del seu diàmetre és de 70 nm a 100 nm. Per estudiar l'emissió estimulada dels nanofils, els investigadors van bombar òpticament la mostra en un hivernacle amb la sortida del quart harmònic d'un làser Nd:YAG (longitud d'ona de 266 nm, amplada de pols de 3 ns). Durant l'evolució de l'espectre d'emissió, la llum es veu afectada amb l'augment de la potència de bombament. Quan el làser supera el llindar del nanofil de ZnO (uns 40 kW/cm), apareixerà el punt més alt a l'espectre d'emissió. L'amplada de línia d'aquests punts més alts és inferior a 0,3 nm, que és més d'1/50 menys que l'amplada de línia des del vèrtex d'emissió per sota del llindar. Aquestes amplades de línia estretes i els ràpids augments de la intensitat d'emissió van portar els investigadors a concloure que l'emissió estimulada es produeix realment en aquests nanofils. Per tant, aquesta matriu de nanofils pot actuar com un ressonador natural i convertir-se així en una font de microlàser ideal. Els investigadors creuen que aquest nanolàser de longitud d'ona curta es pot utilitzar en els camps de la computació òptica, l'emmagatzematge d'informació i el nanoanalitzador.
3. Làsers de pou quàntic
Abans i després del 2010, l'amplada de línia gravada al xip semiconductor arribaria als 100 nm o menys, i només hi haurà uns pocs electrons movent-se al circuit, i l'augment i la disminució d'un electró tindran un gran impacte en el funcionament del circuit. Per resoldre aquest problema, van néixer els làsers de pou quàntic. En mecànica quàntica, un camp potencial que restringeix el moviment dels electrons i els quantitza s'anomena pou quàntic. Aquesta restricció quàntica s'utilitza per formar nivells d'energia quàntica a la capa activa del làser semiconductor, de manera que la transició electrònica entre els nivells d'energia domina la radiació excitada del làser, que és un làser de pou quàntic. Hi ha dos tipus de làsers de pou quàntic: làsers de línia quàntica i làsers de punts quàntics.
① Làser de línia quàntica
Uns científics han desenvolupat làsers de fil quàntic que són 1.000 vegades més potents que els làsers tradicionals, cosa que suposa un gran pas cap a la creació d'ordinadors i dispositius de comunicació més ràpids. El làser, que pot augmentar la velocitat d'àudio, vídeo, Internet i altres formes de comunicació a través de xarxes de fibra òptica, va ser desenvolupat per científics de la Universitat de Yale, Lucent Technologies Bell LABS a Nova Jersey i l'Institut Max Planck de Física a Dresden, Alemanya. Aquests làsers de major potència reduirien la necessitat de repetidors cars, que s'instal·len cada 80 km (50 milles) al llarg de la línia de comunicació, produint de nou polsos làser que són menys intensos a mesura que viatgen per la fibra (repetidors).
Data de publicació: 15 de juny de 2023