Nanolaser je vrsta mikro i nano uređaja koji je izrađen od nanomaterijala poput nanožice kao rezonatora i može emitirati laser pod fotoekscitacijom ili električnom ekscitacijom. Veličina ovog lasera često je samo stotine mikrona ili čak desetke mikrona, a promjer je do nanometarskog reda, što je važan dio budućih tankoslojnih zaslona, integrirane optike i drugih područja.
Klasifikacija nanolasera:
1. Nanožični laser
Godine 2001. istraživači sa Sveučilišta Kalifornija u Berkeleyju u Sjedinjenim Državama stvorili su najmanji laser na svijetu – nanolasere – na nanooptičkoj žici duljine samo tisućinke ljudske dlake. Ovaj laser ne samo da emitira ultraljubičaste lasere, već se može podesiti i za emitiranje lasera u rasponu od plavog do dubokog ultraljubičastog zračenja. Istraživači su koristili standardnu tehniku nazvanu orijentirana epifitacija kako bi stvorili laser od čistih kristala cinkovog oksida. Prvo su „kultivirali“ nanožice, odnosno formirane na sloju zlata promjera od 20 nm do 150 nm i duljine 10 000 nm žica čistog cinkovog oksida. Zatim, kada su istraživači aktivirali čiste kristale cinkovog oksida u nanožicama drugim laserom pod staklenikom, čisti kristali cinkovog oksida emitirali su laser valne duljine od samo 17 nm. Takvi nanolaseri mogli bi se s vremenom koristiti za identifikaciju kemikalija i poboljšanje kapaciteta pohrane informacija na računalnim diskovima i fotonskim računalima.
2. Ultraljubičasti nanolaser
Nakon pojave mikro-lasera, mikro-diskovnih lasera, mikro-prstenastih lasera i kvantnih lavinskih lasera, kemičar Yang Peidong i njegovi kolege sa Sveučilišta u Kaliforniji, Berkeley, napravili su nanolasere na sobnoj temperaturi. Ovaj cinkov oksidni nanolaser može emitirati laser s širinom linije manjom od 0,3 nm i valnom duljinom od 385 nm pod svjetlosnom pobudom, što se smatra najmanjim laserom na svijetu i jednim od prvih praktičnih uređaja proizvedenih korištenjem nanotehnologije. U početnoj fazi razvoja, istraživači su predvidjeli da je ovaj ZnO nanolaser jednostavan za proizvodnju, visoke svjetline, male veličine, a performanse su jednake ili čak bolje od GaN plavih lasera. Zbog mogućnosti izrade nizova nanožica visoke gustoće, ZnO nanolaseri mogu ući u mnoge primjene koje nisu moguće s današnjim GaAs uređajima. Kako bi se uzgojili takvi laseri, ZnO nanožica se sintetizira metodom transporta plina koja katalizira epitaksijalni rast kristala. Prvo se safirna podloga prekriva slojem zlatnog filma debljine 1 nm ~ 3,5 nm, a zatim se stavlja na aluminijev oksidni čamac. Materijal i podloga se zagrijavaju na 880 °C ~ 905 °C u protoku amonijaka kako bi se proizvela Zn para, a zatim se Zn para prenosi na podlogu. Nanostrukture od 2 μm ~ 10 μm s heksagonalnim poprečnim presjekom generirane su u procesu rasta od 2 min ~ 10 min. Istraživači su otkrili da ZnO nanostruktura tvori prirodnu lasersku šupljinu promjera od 20 nm do 150 nm, a većina (95%) njezinog promjera je od 70 nm do 100 nm. Kako bi proučili stimuliranu emisiju nanostruktura, istraživači su optički pumpali uzorak u stakleniku s izlazom četvrtog harmonika Nd:YAG lasera (valna duljina 266 nm, širina impulsa 3 ns). Tijekom evolucije emisijskog spektra, svjetlost se smanjuje s povećanjem snage pumpanja. Kada lasersko zračenje prijeđe prag ZnO nanožice (oko 40 kW/cm), najviša točka će se pojaviti u spektru emisije. Širina linije tih najviših točaka je manja od 0,3 nm, što je više od 1/50 manje od širine linije od vrha emisije ispod praga. Ove uske širine linija i brzi porasti intenziteta emisije naveli su istraživače na zaključak da se stimulirana emisija doista javlja u ovim nanožicama. Stoga, ovaj niz nanožica može djelovati kao prirodni rezonator i tako postati idealan izvor mikro lasera. Istraživači vjeruju da se ovaj nanolaser kratke valne duljine može koristiti u područjima optičkog računarstva, pohrane informacija i nanoanalizatora.
3. Laseri s kvantnim jamama
Prije i poslije 2010. godine, širina linije ugravirane na poluvodičkom čipu doseći će 100 nm ili manje, a u krugu će se kretati samo nekoliko elektrona, a povećanje i smanjenje elektrona imat će veliki utjecaj na rad kruga. Kako bi se riješio ovaj problem, rođeni su laseri s kvantnim jamama. U kvantnoj mehanici, potencijalno polje koje ograničava kretanje elektrona i kvantizira ih naziva se kvantna buna. Ovo kvantno ograničenje koristi se za formiranje kvantnih energetskih razina u aktivnom sloju poluvodičkog lasera, tako da elektronički prijelaz između energetskih razina dominira pobuđenim zračenjem lasera, što je laser s kvantnim jamama. Postoje dvije vrste lasera s kvantnim jamama: kvantni linijski laseri i laseri s kvantnim točkama.
① Kvantni linijski laser
Znanstvenici su razvili kvantne žičane lasere koji su 1000 puta snažniji od tradicionalnih lasera, čineći veliki korak prema stvaranju bržih računala i komunikacijskih uređaja. Laser, koji može povećati brzinu zvuka, videa, interneta i drugih oblika komunikacije putem optičkih mreža, razvili su znanstvenici sa Sveučilišta Yale, Lucent Technologies Bell LABS u New Jerseyju i Instituta Max Planck za fiziku u Dresdenu u Njemačkoj. Ovi laseri veće snage smanjili bi potrebu za skupim repetitorima, koji se postavljaju svakih 80 km duž komunikacijske linije, ponovno proizvodeći laserske impulse koji su manje intenzivni dok putuju kroz vlakno (repetitori).
Vrijeme objave: 15. lipnja 2023.