Lasery sa široko používajú pri komunikácii, lekárskom zobrazovaní a chirurgii, spotrebnej elektronike a iných oblastiach a hlboko zmenili životy ľudí. V posledných rokoch, aby sa zmenila veľkosť laserov, vedci vyvinuli nanolasery, ktoré ďalej podporujú miniaturizáciu a integráciu fotonických zariadení, ale tiež otvárajú nové cesty na štúdium interakcie medzi svetlom a hmotou v extrémnych podmienkach. Tento článok začína tvorbou svetla a zavedie vás, aby ste do hĺbky preskúmali svet nanolaserov.
V oblasti informačných technológií sú tranzistory a lasery dve základné komponenty. Miniaturizácia tranzistorov podporovala rýchly vývoj elektronických čipov a priniesol známy zákon Moore - počet tranzistorov, ktoré sa môžu prispôsobiť integrovanému obvodu, sa zdvojnásobí každých 18 mesiacov. Tento trend tlačil veľkosť najpokročilejších tranzistorov na úroveň nanometrov. V súčasnosti je možné integrovať viac ako 10 miliárd tranzistorov do mobilných telefónnych a počítačových čipov používaných verejnosťou, čo týmto zariadeniam poskytuje výkonné možnosti spracovania informácií a propagujú príchod digitálnej a inteligentnej éry. Miniaturizácia laserov zároveň vyvolala revolúciu vo fotonickej technológii. Po viac ako pol storočí vývoja sa miniatúrne polovodičové lasery široko používajú pri komunikácii, ukladaní údajov, lekárskom zobrazovaní a chirurgii, snímaní a meraní, spotrebnej elektronike, výrobe aditív, zobrazovaní a osvetlení a iných poliach.
Škálovacie lasery sú ťažšie ako tranzistory, pretože sa spoliehajú na veľmi odlišné mikroskopické častice, ktoré sa spoliehajú na elektróny, zatiaľ čo lasery sa spoliehajú na fotóny. Vo viditeľných a takmer infračervených pásmach sú fotónové vlnové dĺžky o tri rády vyššie ako vlnové dĺžky elektrónov v tranzistoroch. S výhradou difrakčného limitu je minimálny objem režimu, do ktorého možno tieto fotóny stlačiť, je asi deväť rádov alebo miliardy krát väčší ako objem elektrónov v tranzistor. Hlavnou výzvou pri budovaní nanocale laserov je, ako prelomiť difrakčný limit a „komprimovať“ objem fotónov na limit. Prekonanie tohto problému nebude významne podporovať vývoj fotonických technológií, ale tiež prinesie vznik mnohých nových scenárov aplikácií. Predstavte si, že keď sa fotóny, podobne ako elektróny, môžu byť flexibilne manipulované v nanometrovej stupnici, môžeme použiť svetlo na priame pozorovanie jemnej štruktúry DNA a môžeme tiež vytvoriť rozsiahly optoelektronický integrovaný čipy a rýchlosť a efektívnosť spracovania informácií sa bude Buďte výrazne vylepšení.
V posledných rokoch prostredníctvom povrchových plazmónov a mechanizmov lokalizácie ľahkého poľa singulárnych bodov, objem laserového režimu prekročil optický difrakčný limit a vstúpil do nanomateriálu, čím spôsobuje vznik nanolaserov.
1. Otvorte jasné dvere a preskúmajte neznáme
V prírode sa svetlo generuje dvoma spôsobmi: spontánne žiarenie a stimulované žiarenie.
Spontánne žiarenie je úžasný proces. Dokonca aj v úplnej tme a bez vonkajších fotónov môže hmota vyžarovať svetlo samostatne. Je to preto, že vákuum nie je skutočne „prázdne“. Je naplnená drobnými kolísaniami energie, nazývanej energia s nulovým bodom vákua. Energia s nulovým bodom vákua môže spôsobiť uvoľňovanie fotónov excitovanej hmoty. Napríklad osvetlenie sviečky produkuje sviečky. História ľudského používania ohňa sa dá vysledovať až pred viac ako miliónmi rokov. Oheň priniesol ľudským predkom svetlo a teplo a otvoril kapitolu civilizácie. Plamene a žiarovky sú spontánne zdroje žiarenia. Horí alebo teplo, aby vložili elektróny do vysokoenergetického stavu, a potom uvoľňujú fotóny pod pôsobením energie vákuovej energie, aby osvetľovali svet.
Stimulované žiarenie odhaľuje hlbšiu interakciu medzi svetlom a hmotou. Keď vonkajší fotón prechádza látkou v vzrušenom stave, spustí látku, aby uvoľnila nový fotón, ktorý je úplne rovnaký ako incident fotón. Tento „kopírovaný“ fotón robí svetlý lúč vysoko smerujúcim a konzistentným, čo je laser, s ktorým poznáme. Aj keď je vynález lasera pred menej ako storočím, bol rýchlo integrovaný do verejného života, čím sa zmeny otriasajú zemou.
Vynález lasera otvoril ľudstvo jasné dvere na preskúmanie neznámeho. Poskytuje nám výkonné nástroje a výrazne podporuje rozvoj modernej civilizácie. V oblasti informácií a komunikácie urobili lasery vysokorýchlostnú komunikáciu s optickými vláknami skutočnosťou a umožnili globálne prepojenie. V lekárskej starostlivosti je laserová chirurgia charakterizovaná vysokou presnosťou a minimálnou invazívnosťou, ktorá poskytuje pacientom bezpečnejšie a účinnejšie metódy liečby. V priemyselnej výrobe laserové rezanie a zváranie zlepšujú efektívnosť výroby a presnosť výrobkov, čo ľuďom umožňuje vytvárať sofistikovanejšie strojové zariadenia a vybavenie. Vo vedeckom výskume sú lasery kľúčovými nástrojmi na detekciu gravitačných vĺn a kvantové informačné technológie, ktoré vedcom pomáhajú odhaliť záhady vesmíru.
Od laserovej tlače a lekárskej krásy v každodennom živote po kontrolovanú jadrovú fúziu, laserové radarové a laserové zbrane v špičkovej technológii sú lasery všade a majú hlboký vplyv na rozvoj sveta. Nielenže to zmenilo náš spôsob života, ale tiež rozšíril schopnosť ľudí porozumieť a transformovať prírodu.
2. Výkonné nástroje na pochopenie a využitie prírody
Einstein, inšpirovaný Planckovým zákonom o žiarivosti, navrhol koncept stimulovaného žiarenia v roku 1917 a tento objav položil základ pre vynález laserov. V roku 1954 americkí vedci Townes a ďalší prvýkrát oznámili mikrovlnný oscilátor realizovaný stimulovaným žiarením, konkrétne mikrovlnným maserom. Ako ziskové médiá používali vzrušené molekuly amoniaku a na poskytnutie spätnej väzby používali mikrovlnnú rezonančnú dutinu asi 12 cm, pričom si uvedomili mikrovlnnú rúru s vlnovou dĺžkou asi 12,56 cm. Mikrovlnný maser sa považuje za predchodcu lasera, ale laser môže produkovať koherentné žiarenie pri vyššej frekvencii, s výhodami, ako je menší objem, vyššia intenzita a vyššia kapacita prenášania informácií.
V roku 1960 vynašiel americký vedec Maiman prvý laser. Použil rubínovú tyč asi 1 cm dlhú ako ziskové médium a dva konce tyče boli strieborné, aby pôsobili ako reflektory, aby poskytli optickú spätnú väzbu. Pri excitácii bleskovej žiarovky zariadenie vytvorilo laserový výstup s vlnovou dĺžkou 694,3 nanometrov. Je potrebné poznamenať, že veľkosť mikrovlnného maseru je v rovnakom poradí ako jeho vlnová dĺžka. Podľa tohto proporcionálneho vzťahu by mala byť veľkosť lasera asi 700 nanometrov. Veľkosť prvého lasera však bola oveľa väčšia ako táto, o viac ako 4 rády. Trvalo asi 30 rokov, kým sa laser zmenšil na veľkosť porovnateľnú s vlnovou dĺžkou, a trvalo pol storočia, kým sa prelomil limit vlnovej dĺžky a realizoval hlboké lasery sub -vlnovej dĺžky.
V porovnaní s bežnými zdrojmi svetla je žiariaca energia mikrovlnných maserov a laserov koncentrovaná vo veľmi úzkom frekvenčnom rozsahu. Preto sa tieto dva vynálezy môžu považovať za lokalizačné elektromagnetické vlny vo frekvenčnom priestore prostredníctvom stimulovaného žiarenia. Stimulované žiarenie sa môže tiež použiť na lokalizáciu elektromagnetických vĺn v čase, hybnosti a rozmeroch priestoru. Lokalizáciou elektromagnetických vĺn v týchto rozmeroch môžu laserové zdroje svetla dosiahnuť extrémne stabilné frekvenčné oscilácie, ultra-šortové impulzy, vysoký smer a extrémne malé objemy režimu, čo nám umožňuje presne zmerať čas, pozorovať rýchly pohyb, prenos informácií a energie na veľké vzdialenosti , dosiahnite miniaturizáciu zariadení a získajte vyššie rozlíšenie zobrazovania.
Od príchodu laserov ľudia neustále sledujú silnejšiu lokalizáciu svetelných polí v rozmeroch, ako sú frekvencia, čas, hybnosť a priestor, podporujú rýchly vývoj výskumu laserového fyziky a laserových zariadení, čím sa lasery stanú výkonným nástrojom na porozumenie a využívanie prírody .
Vo frekvenčnej dimenzii, prostredníctvom vysoko kvalitnej dutiny, kontroly spätnej väzby a izolácie životného prostredia, môžu lasery udržiavať extrémne stabilné frekvencie, podporovať prielomy v mnohých hlavných vedeckých výskumoch, ako je kondenzácia Bose-Einstein (2001 Nobel Nobel vo fyzike), presná laserová spektroskopia ( 2005 Nobel Cena vo fyzike) a detekcia gravitačných vĺn (Nobelová cena za fyziku 2017).
V časovej dimenzii robia technológiu zamykania režimu a technológia harmonickej generácie vysokého poriadku vysoké poradie v oblasti generovania Prostredníctvom lokalizácie extrémneho času môžu atosekundové lasery produkovať ľahké impulzy, ktoré trvajú iba približne jeden optický cyklus. Tento prielom umožňuje pozorovať ultra rýchly procesy, ako je pohyb elektrónov vo vnútornej vrstve atómov, a získal Nobelovu cenu 2023 vo fyzike.
V dimenzii hybnosti dosiahla vývoj veľkých režimových laserov vysoký stupeň lokalizácie svetelného poľa v hybnom priestore, vďaka čomu je laserový lúč vysoko smerujúci. Výsledný vysoko kolimovaný laser sa očakáva, že podporí vývoj medzihviezdnej vysokorýchlostnej optickej komunikácie ultra dlhého vzdialenosti.
V priestorovej dimenzii umožňuje zavedenie povrchových plazmónov a mechanizmov lokalizácie ľahkého poľa Singularity Light Field Lookaliza a n je index lomu materiálu), čím rodí nanolasery. Vznik nanolaserov má ďalekosiahly význam pre inováciu informačných technológií a štúdium interakcie medzi svetlom a hmotou za extrémnych podmienok.
3. Prelomenie limitu optickej difrakcie
Viac ako 30 rokov po vynáleze lasera, s rozvojom technológie mikro-machinovania a hlbším porozumením výskumu laserového fyziky a laserových zariadení, boli vyvinuté rôzne typy mikro-semických laserov jeden po druhom, vrátane mikro-diskových laserov , lasery defektu fotonického kryštálu a nanovláknaté lasery. V roku 1992 spoločnosť Bell Laboratories v Spojených štátoch úspešne uvedomila prvý laser pre mikropídny, pomocou režimu šepotovej galérie v mikro-disk, aby sa svetlo umožnilo opakovane v mikro-disk, generovať rezonančnú spätnú väzbu a dosiahnuť lasing. V roku 1999 si Kalifornský technologický inštitút v Spojených štátoch uvedomil prvý laser s defektom fotonického kryštálu zavedením bodových defektov v dvojrozmerných fotonických kryštáloch na obmedzenie svetla. V roku 2001 Kalifornská univerzita v Berkeley úspešne realizovala polovodičové nanovlákna lasery prvýkrát pomocou koncovej tváre nanovlákna ako reflektora. Tieto lasery znižujú veľkosť prvku na poradie jednej vákuovej vlnovej dĺžky, ale v dôsledku obmedzení optického difrakčného limitu sa tieto lasery založené na dielektrických rezonátoroch ťažko zmenšujú.
V geometrii je dĺžka pravej strany pravého trojuholníka menšia ako dĺžka hypotenusu. Na mikroskopickom meradle, aby sa prelomil difrakčný limit, musí byť dĺžka dvoch pravicových bočných strán väčšia ako hypotenus. V roku 2009 si tri tímy na svete prvýkrát uvedomili plazmonické nanolasery, ktoré prelomili optický difrakčný limit. Medzi nimi tím Kalifornskej univerzity, Berkeley a Peking University uvedomil plazmonický nanolaser založený na jednorozmernej polovodičovej štruktúre nanovlákna-izolátorov; Tím Eindhoven University of Technology na Holandsku a Arizonskej štátnej univerzite v Spojených štátoch vyvinul plazmonický nanolaser založený na trojvrstvovej štruktúre plochých platničiek kovov-semimicko-kov; Tím Norfolk State University a Purdue University v Spojených štátoch preukázal plazmonický nanolaser jadrovej shellu na základe kovového jadrového ziskového média na základe lokalizovanej rezonancie povrchových plazmónov.
Inými slovami, zavedením imaginárnych jednotiek v disperznej rovnici vedci skutočne skonštruovali špeciálny trojuholník so správnou stranou dlhšou ako hypotenus. Je to tento špeciálny trojuholník, ktorý nám umožňuje fyzicky dosiahnuť silnejšiu lokalizáciu ľahkého poľa.
Po viac ako 10 rokoch vývoja, plazmónové nanolasery preukázali vynikajúce charakteristiky, ako je objem extrémne malý režim, ultrarýchle modulačná rýchlosť a nízka spotreba energie. Avšak v porovnaní s dielektrickými materiálmi, hoci plazmonový efekt spája svetelné pole s kolektívnou osciláciou voľných elektrónov v kovoch, aby sa dosiahla silnejšia lokalizácia ľahkého poľa, táto väzba tiež zavádza inherentné Ohmické straty, čo vedie k tvorbe tepla, čo zase zvyšuje výkon energie zariadenia spotreba a obmedzuje jej koherenčný čas.
V roku 2024 tím Peking University navrhol novú disperznú rovnicu singularity, ktorá odhaľuje disperzné charakteristiky nanoantenny All-Dielectric Bow-Tie. Vložením nanoantenne luku do rohovej štruktúry nanokavity, ktorú navrhol tím Peking University, sa v dielektrickom systéme prvýkrát uskutočnil v dielektrickom systéme dielektrický nanolaser singularity, ktorý porušuje optický difrakčný limit. Tento konštrukčný dizajn umožňuje, aby sa ľahké pole stlačilo do extrému a teoreticky môže dosiahnuť nekonečne malý objem režimu, ktorý je oveľa menší ako optický difrakčný limit. Okrem toho sofistikovaná štruktúra rohovej nanocavity ďalej zvyšuje úložnú kapacitu svetelného poľa, čo dáva nanolaserovi singularity veľmi vysoký faktor kvality a jeho optický faktor kvality dutiny (tj pomer energie uloženej v optickej dutine na energiu stratenú za cyklus) môže prekročiť 1 milión.
Tím Peking University ďalej rozvíjal technológiu optického frekvencie fázové pole založené na nanolaseroch. Úspešne demonštrovali silný potenciál technológie koherentnej koherentnej lasingu tým, že presne ovládal lasingovú vlnovú dĺžku a fázu každého nanolaseru v laserovom poli. Napríklad tím použil túto technológiu na dosiahnutie optického frekvenčného poľa koherentné lasingy v vzorcoch ako „P“, „K“, „U“, „Čína“ a „Čína“, čo demonštruje svoje rozsiahle vyhliadky na aplikáciu v oblasti integrovanej fotoniky , Micro-Nano Light Source Guray a optická komunikácia. (Autor: Ma Renmin, profesorka fyziky, Peking University)
