Nanolaser on eräänlainen mikro- ja nanolaite, joka on valmistettu nanomateriaaleista, kuten nanolangasta resonaattorina, ja joka voi lähettää laseria fotovirityksen tai sähköisen virityksen avulla. Tämän laserin koko on usein vain satoja mikroneja tai jopa kymmeniä mikroneja, ja halkaisija on jopa nanometriluokkaa, mikä on tärkeä osa tulevaisuuden ohutkalvonäyttöjä, integroitua optiikkaa ja muita aloja.
Nanolaserin luokittelu:
1. Nanolankalaser
Vuonna 2001 Kalifornian yliopiston Berkeleyn tutkijat Yhdysvalloissa loivat maailman pienimmän laserin – nanolaserit – nanooptiselle langalle, joka on vain tuhannesosa ihmisen hiuksen pituudesta. Tämä laser ei ainoastaan lähetä ultraviolettisäteilyä, vaan se voidaan myös virittää lähettämään lasereita sinisestä syvään ultraviolettiin. Tutkijat käyttivät standarditekniikkaa, jota kutsutaan suuntautuneeksi epifytoinniksi, laserin luomiseen puhtaista sinkkioksidikiteistä. Ensin he "viljelivät" nanolankoja, eli muodostettiin kultakerrokselle, jonka halkaisija oli 20–150 nm ja pituus 10 000 nm. Sitten, kun tutkijat aktivoivat nanolankojen puhtaat sinkkioksidikiteet toisella laserilla kasvihuoneen alla, puhtaat sinkkioksidikiteet lähettivät laseria, jonka aallonpituus oli vain 17 nm. Tällaisia nanolasereita voitaisiin lopulta käyttää kemikaalien tunnistamiseen ja tietokonelevyjen ja fotonisten tietokoneiden tiedontallennuskapasiteetin parantamiseen.
2. Ultravioletti nanolaser
Mikrolasereiden, mikrolevylasereiden, mikrorengaslasereiden ja kvanttilumivyörylasereiden tulon jälkeen kemisti Yang Peidong ja hänen kollegansa Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä valmistivat huoneenlämmössä nanolasereita. Tämä sinkkioksidinanolaser voi valovirityksen alaisena lähettää laseria, jonka viivanleveys on alle 0,3 nm ja aallonpituus 385 nm. Sitä pidetään maailman pienimpänä laserina ja yhtenä ensimmäisistä nanoteknologialla valmistetuista käytännön laitteista. Kehityksen alkuvaiheessa tutkijat ennustivat, että tämä ZnO-nanolaser on helppo valmistaa, sillä on korkea kirkkaus, se on pieni ja sen suorituskyky on yhtä suuri tai jopa parempi kuin GaN-sinisillä lasereilla. Koska ZnO-nanolasereilla voidaan valmistaa tiheitä nanolankamatriiseja, ne voivat saavuttaa monia sovelluksia, jotka eivät ole mahdollisia nykyisillä GaAs-laitteilla. Tällaisten lasereiden kasvattamiseksi ZnO-nanolanka syntetisoidaan kaasunsiirtomenetelmällä, joka katalysoi epitaksiaalista kiteen kasvua. Ensin safiirialusta päällystetään 1 nm–3,5 nm paksuisella kultakalvolla, minkä jälkeen se asetetaan alumiinioksidiveneeseen. Materiaali ja alusta kuumennetaan 880–905 °C:een ammoniakkivirtauksessa Zn-höyryn tuottamiseksi, ja sitten Zn-höyry kuljetetaan alustalle. 2–10 minuutin kasvuprosessissa syntyi 2 μm–10 μm:n kokoisia, kuusikulmaisen poikkileikkauspinta-alan omaavia nanolankoja. Tutkijat havaitsivat, että ZnO-nanolanka muodostaa luonnollisen laserontelon, jonka halkaisija on 20–150 nm, ja suurin osa (95 %) sen halkaisijasta on 70–100 nm. Nanolankojen stimuloidun emission tutkimiseksi tutkijat pumppasivat näytettä optisesti kasvihuoneessa Nd:YAG-laserin neljännellä harmonisella säteilyllä (266 nm:n aallonpituus, 3 ns:n pulssinleveys). Emissiospektrin kehittyessä valoa vaimennetaan pumpun tehon kasvaessa. Kun laserointi ylittää ZnO-nanolangan kynnyksen (noin 40 kW/cm), emissiospektriin ilmestyy korkein piste. Näiden korkeimpien pisteiden viivanleveys on alle 0,3 nm, mikä on yli 1/50 pienempi kuin viivanleveys emissiokärjestä kynnyksen alapuolelle. Nämä kapeat viivanleveydet ja emissiointensiteetin nopea kasvu johtivat tutkijat siihen johtopäätökseen, että stimuloitua emissiota todellakin esiintyy näissä nanolangoissa. Siksi tämä nanolankamatriisi voi toimia luonnollisena resonaattorina ja siten siitä voi tulla ihanteellinen mikrolaserlähde. Tutkijat uskovat, että tätä lyhytaaltoista nanolaseria voidaan käyttää optisen laskennan, tiedon tallennuksen ja nanoanalysaattorien aloilla.
3. Kvanttikuoppalaserit
Ennen vuotta 2010 ja sen jälkeen puolijohdesirulle syövytetyn viivan leveys oli 100 nm tai vähemmän, ja piirissä liikkui vain muutama elektroni, ja elektronin kasvulla ja vähenemisellä oli suuri vaikutus piirin toimintaan. Tämän ongelman ratkaisemiseksi syntyivät kvanttikaivolaserit. Kvanttimekaniikassa potentiaalikenttää, joka rajoittaa elektronien liikettä ja kvantisoi ne, kutsutaan kvanttikaivoksi. Tätä kvanttirajoitetta käytetään kvanttienergiatasojen muodostamiseen puolijohdelaserin aktiiviseen kerrokseen, jolloin energiatasojen välinen elektroninen siirtymä hallitsee laserin viritettyä säteilyä, joka on kvanttikaivolaseri. Kvanttikaivolasereita on kahdenlaisia: kvanttiviivalasereita ja kvanttipistelasereita.
① Kvanttiviivalaser
Tutkijat ovat kehittäneet kvanttilankalasereita, jotka ovat 1 000 kertaa tehokkaampia kuin perinteiset laserit, mikä on iso askel kohti nopeampien tietokoneiden ja viestintälaitteiden luomista. Laserin, joka voi lisätä äänen, videon, internetin ja muiden viestintämuotojen nopeutta valokuituverkoissa, kehittivät Yalen yliopiston, Lucent Technologies Bell LABSin New Jerseyssä ja Max Planck Institute for Physicsin Dresdenissä Saksassa tutkijat. Nämä tehokkaammat laserit vähentäisivät kalliiden toistimien tarvetta, joita asennetaan 80 kilometrin välein viestintälinjan varrelle ja jotka jälleen tuottavat laserpulsseja, jotka ovat vähemmän intensiivisiä kulkiessaan kuidun läpi (toistimet).
Julkaisun aika: 15. kesäkuuta 2023