Laseri se široko koriste u komunikaciji, medicinskom snimanju i kirurgiji, potrošačkoj elektronici i drugim poljima, te su duboko promijenili život ljudi. Posljednjih godina, kako bi veličina lasera učinili manjim, znanstvenici su razvili nanolasere, koji ne samo dodatno promiču minijaturizaciju i integraciju fotonskih uređaja, već i otvaraju nove staze za proučavanje interakcije između svjetla i materije u ekstremnim uvjetima. Ovaj članak započinje generacijom svjetla i odvodi vas u dubinu da istražite svijet nanolasera.
U području informacijske tehnologije tranzistori i laseri su dvije temeljne komponente. Minijaturizacija tranzistora promovirala je brzi razvoj elektroničkih čipsa i pokrenula poznati Mooreov zakon - broj tranzistora koji se mogu smjestiti u integriranom krugu udvostručit će se svakih 18 mjeseci. Ovaj je trend gurnuo veličinu najnaprednijih tranzistora na razinu nanometra. Trenutno se više od 10 milijardi tranzistora može integrirati u čipove mobilnog telefona i računala koje koristi javnost, što ovim uređajima daje snažne mogućnosti obrade informacija i promovira dolazak digitalne i inteligentne ere. Istodobno, minijaturizacija lasera pokrenula je revoluciju u fotonskoj tehnologiji. Nakon više od pola stoljeća razvoja, minijaturni poluvodički laseri široko se koriste u komunikaciji, skladištu podataka, medicinskom snimanju i kirurgiji, senzoru i mjerenju, potrošačkoj elektronici, proizvodnji aditiva, zaslonu i osvjetljenju i drugim poljima.
Skaliranje lasera je teže od tranzistora jer se oni oslanjaju na vrlo različite mikroskopske čestice-transsistori se oslanjaju na elektrone, dok se laseri oslanjaju na fotone. U vidljivim i blizu infracrvenim trakama, fotonske valne duljine su tri reda veće od valnih duljina elektrona u tranzistorima. U skladu s granicom difrakcije, minimalni volumen načina rada u koji se ti fotoni mogu stisnuti je oko devet reda veličine, ili milijardu puta, veći od elektrona u tranzistoru. Temeljni izazov u izgradnji nanosusnih lasera je kako probiti granicu difrakcije i "komprimirati" volumen fotona do krajnjih granica. Prevladavanje ovog problema ne samo da će značajno promovirati razvoj fotonske tehnologije, već će stvoriti i mnoge nove scenarije aplikacije. Zamislite da kada se fotoni, poput elektrona, mogu fleksibilno manipulirati na ljestvici nanometra, možemo upotrijebiti svjetlost za izravno promatranje fine strukture DNK, a možemo stvoriti i optoelektronske integrirane čipove velike razmjere, a brzina i učinkovitost obrade informacija će Budite uvelike poboljšani.
Posljednjih godina, kroz površinske plazmone i mehanizme lokalizacije lasera lasera, volumen laserskog načina premašio je granicu optičke difrakcije i ušao u nanoskaliju, što je dovelo do nanolasera.
1. Otvorite svijetla vrata da biste istražili nepoznato
U prirodi se svjetlost stvara 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 samostalno emitirati svjetlo. To je zato što vakuum uistinu nije "prazan". Ispunjen je sitnim energetskim fluktuacijama, nazvanim energijom vakuum nulte točke. Energija vakuumske nulte točke može uzrokovati da pobuđena materiji oslobađa fotone. Na primjer, osvjetljenje svijeće proizvodi svjetlost svijeća. Povijest ljudske uporabe vatre može se pratiti prije više od milijun godina. Vatra je donijela svjetlost i toplinu ljudskim precima i otvorila poglavlje civilizacije. Plamenovi i žarulje sa žarnom niti su spontani izvori zračenja. Oni sagorijevaju ili toplinu da bi elektroni stavili u visokoenergetsko stanje, a zatim puštaju fotone pod djelovanjem energije vakuumske nulte točke kako bi osvijetlili svijet.
Stimulirano zračenje otkriva dublju interakciju između svjetlosti i materije. Kad vanjski foton prođe kroz tvar u uzbuđenom stanju, on pokreće tvar da oslobodi novi foton koji je potpuno isti kao i incidentni foton. Ovaj "kopirani" foton čini svjetlosnu zraku vrlo usmjerenom i dosljednom, što je laser koji smo upoznati. Iako je izum lasera prije manje od jednog stoljeća, brzo je integriran u javni život, donoseći promjene koje trese zemlju.
Izum lasera otvorio je svijetla vrata čovječanstvu kako bi istražila nepoznato. Pruža nam moćne alate i uvelike promiče razvoj moderne civilizacije. U području informacijske i komunikacije, laseri su stvarne optičke komunikacije postigli stvarnost i omogućili globalnu međusobnu povezanost. U medicinskoj skrbi laserska operacija karakterizira visoka preciznost i minimalno invazivnost, pružajući pacijentima sigurnije i učinkovitije metode liječenja. U industrijskoj proizvodnji, lasersko rezanje i zavarivanje poboljšavaju učinkovitost proizvodnje i preciznost proizvoda, omogućujući ljudima da stvaraju sofisticiranije strojeve i opremu. U znanstvenim istraživanjima, laseri su ključni alati za otkrivanje gravitacijskih valova i kvantnu informacijsku tehnologiju, pomažući znanstvenicima da otkriju misterije svemira.
Od laserskog tiska i medicinske ljepote u svakodnevnom životu do kontrolirane nuklearne fuzije, laserskog radara i laserskog oružja u vrhunskoj tehnologiji, laseri su posvuda i imaju dubok utjecaj na razvoj svijeta. To nije samo promijenilo naš način života, već je i proširio sposobnost ljudskih bića da razumiju i transformiraju prirodu.
2. Snažni alati za razumijevanje i iskorištavanje prirode
Inspiriran Planckovim zakonom o zračenju crnog tijela, Einstein je predložio koncept stimuliranog zračenja 1917. godine, a ovo je otkriće postavilo temelj za izum lasera. Godine 1954. američki znanstvenici Townes i drugi prvi su izvijestili o mikrovalnom oscilatoru ostvarenom stimuliranim zračenjem, naime mikrovalnom maserom. Koristili su uzbuđene molekule amonijaka kao medije dobitka i koristili su mikrovalnu rezonantnu šupljinu dugu oko 12 cm kako bi pružili povratne informacije, realizirajući mikrovalne masere s valnom duljinom od oko 12,56 cm. Mikrovalna pećnica smatra se prethodnikom lasera, ali laser može proizvesti koherentno zračenje na većoj frekvenciji, s prednostima poput manjih volumena, većeg intenziteta i većih informacija o nošenju informacija.
1960. američki znanstvenik Maiman izumio je prvi laser. Koristio je rubin šipku oko 1 cm dužine medija, a dva kraja šipke bila su srebra da bi djelovala kao reflektori kako bi pružili optičke povratne informacije. Pod pobudom bljeskalice, uređaj je proizveo laserski izlaz s valnom duljinom od 694,3 nanometara. Vrijedno je napomenuti da je veličina mikrovalne maser po istoj veličini kao i njegova valna duljina. Prema ovom proporcionalnom odnosu, veličina lasera trebala bi biti oko 700 nanometara. Međutim, veličina prvog lasera bila je mnogo veća od ovoga, za više od 4 reda veličine. Trebalo je oko 30 godina da se laser smanji na veličinu usporedivu s valnom duljinom, a trebalo je pola stoljeća da se probije kroz granicu valne duljine i realiziraju lasere dubokih pod -valnih duljina.
U usporedbi s običnim izvorima svjetlosti, energija zračenja mikrovalnih masera i lasera koncentrirana je u vrlo uskom frekvencijskom rasponu. Stoga se ova dva izuma mogu smatrati lokalizacijom elektromagnetskih valova u frekvencijskom prostoru kroz stimulirano zračenje. Stimulirano zračenje također se može koristiti za lokalizaciju elektromagnetskih valova u vremenskom, zamahu i dimenzijama prostora. Lokalizacijom elektromagnetskih valova u tim dimenzijama, izvori laserskog svjetla mogu postići izuzetno stabilne oscilacije frekvencije, ultra kratke impulse, visoku usmjerenost i izuzetno male količine načina, što nam omogućava precizno mjerenje vremena, promatranje brzog pokreta, prenošenja informacija i energije na dugim udaljenostima , postići minijaturizaciju uređaja i postići veću rezoluciju snimanja.
Od pojave lasera, ljudi su neprestano slijedili jaču lokalizaciju svjetlosnih polja u dimenzijama kao što su učestalost, vrijeme, zamah i prostor, promičući brzi razvoj istraživanja laserske fizike i laserskih uređaja, čineći lasere moćnim alatom za razumijevanje i korištenje prirode .
U dimenziji frekvencije, visokokvalitetnom šupljinom, kontrolom povratnih informacija i izolacijom okoliša, laseri mogu održavati izuzetno stabilne frekvencije, promičući proboje u mnogim velikim znanstvenim istraživanjima, kao što je Bose-einstein kondenzacija (Nobelova nagrada iz 2001. godine), precizna laserska spektroskopija ( 2005. Nobelova nagrada za fiziku) i otkrivanje gravitacijskog vala (2017. Nobelova nagrada za fiziku).
U vremenskoj dimenziji, tehnologija zaključavanja načina i tehnologija harmonične proizvodnje visokog reda čine ultrashort laserski impulsi stvarnost. Kroz ekstremnu lokalizaciju vremena, attosekundi laseri mogu proizvesti svjetlosne impulse koji traju samo oko jednog optičkog ciklusa. Ovaj proboj omogućuje promatranje ultra brzih procesa poput kretanja elektrona u unutarnjem sloju atoma i osvojio je Nobelovu nagradu za fiziku 2023. godine.
U dimenziji zamaha, razvoj jednosmjernih lasera u velikom području postigao je visok stupanj lokalizacije svjetlosnog polja u prostoru zamaha, čineći laserski snop vrlo usmjeren. Očekuje se da će rezultirati visoko kolimiranim laserom promovirati razvoj međuzvjezdanih brzih optičkih komunikacija ultra dugih udaljenosti.
U prostornoj dimenziji, uvođenje površinskih plazmona i mehanizama lokalizacije svjetla za singularnost omogućava da se volumen laserskog načina probije kroz granicu optičke difrakcije i dosegne skalu manju od (λ/2n) 3 (gdje je λ valna duljina svjetla slobodnog prostora i n je indeks loma materijala), rađajući nanolasere. Pojava nanolasera ima dalekosežan značaj za inovaciju informacijske tehnologije i proučavanje interakcije svjetla i materije u ekstremnim uvjetima.
3. Razbijanje granice optičke difrakcije
Više od 30 godina nakon izuma lasera, s napretkom tehnologije mikro-mahinga i dubljim razumijevanjem istraživanja laserske fizike i laserskih uređaja, razvijene su različite vrste lasera mikro-semiconduktora, uključujući lasere na mikro-disku , fotonski laseri kristala i nanowire laseri. Godine 1992. Bell Laboratories u Sjedinjenim Državama uspješno su ostvarile prvi laser mikro-diska, koristeći način rada galerije Whispering u mikro-disku kako bi se svjetlost više puta odrazila u mikro-disku, generirale rezonantne povratne informacije i postigli lasing. Godine 1999. Kalifornijski tehnološki institut u Sjedinjenim Državama realizirao je prvi fotonski laser kristala unošenjem točanih oštećenja u dvodimenzionalne fotonske kristale kako bi ograničio svjetlost. 2001. godine, Sveučilište u Kaliforniji, Berkeley, uspješno je prvi put realiziralo poluvodičke nanowire lasere koristeći krajnje lice Nanowire kao reflektor. Ovi laseri smanjuju veličinu značajke na redoslijed jedne valne duljine vakuuma, ali zbog ograničenja granice optičke difrakcije, ove lasere temeljene na dielektričnim rezonatorima teško je dodatno smanjiti.
U geometriji je duljina desnog nagiba desnog trokuta manja od duljine hipotenuze. Na mikroskopskoj ljestvici, za razbijanje granice difrakcije, duljina dviju strana desnog nakucavanja mora biti veća od hipotenuze. U 2009. godini tri su tima na svijetu prvi put realizirale plazmonske nanolasere koji su provalili kroz granicu optičke difrakcije. Među njima je tim Sveučilišta u Kaliforniji, Berkeley i Peking sveučilište realizirao plazmonični nanolaser zasnovan na jednodimenzionalnoj strukturi-metal-metal-metal-metal na nanowire-inzolu; Tim Tehnološkog sveučilišta Eindhoven u Nizozemskoj i Državnom sveučilištu Arizona u Sjedinjenim Državama razvio je plazmonični nanolaser zasnovan na metalno-semikonduktorno-metalnom troslojnom strukturi ravnih ploča; Tim Državnog sveučilišta Norfolk i Sveučilišta Purdue u Sjedinjenim Državama pokazao je plazmoničnu nanolaser na temeljnu školu na temelju metalne jezgrene srednje ljuske na temelju lokalizirane površinske plazmonske rezonancije.
Drugim riječima, uvođenjem imaginarnih jedinica u jednadžbu disperzije, znanstvenici su zapravo konstruirali poseban trokut s desnom kutom duže od hipotenuze. Upravo ovaj poseban trokut omogućava nam fizički postizanje jače lokalizacije svjetlosnog polja.
Nakon više od 10 godina razvoja, plazmonski nanolaseri pokazali su izvrsne karakteristike kao što su izuzetno mali volumen načina rada, ultrana brzina modulacije i mala potrošnja energije. Međutim, u usporedbi s dielektričnim materijalima, iako efekt plazmona spaja svjetlosno polje s kolektivnom oscilacijom slobodnih elektrona u metalima kako bi se postigla jača lokalizacija svjetlosnog polja, ovo spajanje također unosi urođene ohmičke gubitke, što dovodi do stvaranja topline, što zauzvrat povećava energiju uređaja Potrošnja i ograničava vrijeme koherencije.
Godine 2024. tim Sveučilišta Peking predložio je novu jednadžbu raspršivanja singularnosti, otkrivajući karakteristike disperzije nanoantenne All-Dielektrične kravate. Uključivanjem kravate nanoantene u kutnu strukturu nanokavitacije koju je predložio tim Sveučilišta Peking, dielektrični nanolaser singularnost koji razbija optičku difrakcijsku granicu ostvaren je u dielektričnom sustavu prvi put. Ovaj strukturni dizajn omogućava da se svjetlosno polje komprimira do krajnosti, a teoretski može dostići beskonačno mali volumen načina, koji je mnogo manji od granice optičke difrakcije. Osim toga, sofisticirana struktura kutne nanokavitosti dodatno povećava kapacitet skladištenja svjetlosnog polja, dajući nanolaseru jedinstvenosti ultra visoki faktor kvalitete i njegov faktor kvalitete optičke šupljine (tj. Omjer energije pohranjene u optičkoj šupljini na izgubljenu energiju po ciklusu) može prelaziti milijun.
Tim Sveučilišta Peking dalje je razvio tehnologiju faze optičke frekvencije temeljenu na nanolaserima. Uspješno su pokazali snažan potencijal raspoređene koherentne tehnologije za lasiranje preciznim kontrolom lasing valne duljine i faze svakog nanolasera u laserskom nizu. Na primjer, tim je ovu tehnologiju koristio za postizanje optičke frekvencijske koherentne lazing u uzorcima kao što su "P", "K", "U", "Kina" i "Kina", pokazujući svoje široke izglede za primjenu u područjima integrirane fotonike , Micro-nano svjetlosni nizovi i optičke komunikacije. (Autor: Ma Renmin, profesor škole fizike, Sveučilište Peking)
