Laserele sunt utilizate pe scară largă în comunicații, imagini medicale și chirurgie, electronice de consum și alte domenii și au schimbat profund viața oamenilor. În ultimii ani, pentru a face dimensiunea laserelor mai mici, oamenii de știință au dezvoltat nanolaseri, care nu numai că promovează în continuare miniaturizarea și integrarea dispozitivelor fotonice, dar, de asemenea, deschid noi căi pentru studierea interacțiunii dintre lumină și materie în condiții extreme. Acest articol începe cu generarea de lumină și te duce să explorezi în profunzime lumea nanolasers.
În domeniul tehnologiei informației, tranzistoarele și laserele sunt două componente de bază. Miniaturizarea tranzistoarelor a promovat dezvoltarea rapidă a jetoanelor electronice și a născut legea cunoscută a lui Moore - numărul tranzistoarelor care pot fi cazate pe un circuit integrat se va dubla la fiecare 18 luni. Această tendință a împins dimensiunea celor mai avansate tranzistoare la nivelul nanometrului. În prezent, peste 10 miliarde de tranzistoare pot fi integrate în telefonul mobil și cipurile de computer utilizate de public, oferind acestor dispozitive capacități puternice de procesare a informațiilor și promovând sosirea epocii digitale și inteligente. În același timp, miniaturizarea laserelor a declanșat o revoluție în tehnologia fotonică. După mai bine de jumătate de secol de dezvoltare, laserele cu semiconductor în miniatură au fost utilizate pe scară largă în comunicații, stocare de date, imagini medicale și chirurgie, detectare și măsurare, electronice de consum, fabricare de aditivi, afișare și iluminare și alte câmpuri.
Laserele de scalare sunt mai dificile decât tranzistoarele, deoarece se bazează pe transistorii de particule microscopice foarte diferite se bazează pe electroni, în timp ce laserele se bazează pe fotoni. În benzile vizibile și cu infraroșu aproape, lungimile de undă ale fotonului sunt cu trei ordine de mărime mai mari decât lungimile de undă ale electronilor în tranzistoare. Sub rezerva limitei de difracție, volumul de mod minim în care acești fotoni pot fi stoarși este de aproximativ nouă ordine de mărime, sau de un miliard de ori mai mare decât cel al electronilor dintr -un tranzistor. Provocarea de bază în construirea laserelor la nano -scală este modul de a trece prin limita de difracție și de a „comprima” volumul de fotoni la limită. Depășirea acestei probleme nu numai că va promova în mod semnificativ dezvoltarea tehnologiei fotonice, dar va da naștere și multor scenarii de aplicații noi. Imaginează-ți că atunci când fotonii, precum electronii, pot fi manipulați flexibil la scara nanometrului, putem folosi lumina pentru a observa direct structura fină a ADN-ului și putem crea, de asemenea, cipuri integrate optoelectronice pe scară largă, iar viteza și eficiența de procesare a informațiilor vor fi să fie mult îmbunătățit.
În ultimii ani, prin plasmoni de suprafață și mecanisme de localizare a câmpului de lumină singulară, volumul modului laser a depășit limita de difracție optică și a intrat în nano -scală, dând astfel naștere nanolaserilor.
1. Deschideți ușa strălucitoare pentru a explora necunoscutul
În natură, lumina este generată în două moduri: radiații spontane și radiații stimulate.
Radiația spontană este un proces minunat. Chiar și în întuneric complet și fără niciun fotoni externi, materia poate emite lumină pe cont propriu. Acest lucru se datorează faptului că vidul nu este cu adevărat „gol”. Este umplut cu fluctuații energetice minuscule, numite energie cu punct zero în vid. Energia cu punct zero în vid poate provoca eliberarea fotoniilor. De exemplu, iluminarea unei lumânări produce lumânări. Istoria utilizării umane a focului poate fi urmărită în urmă cu mai bine de 1 milion de ani. Focul a adus lumină și căldură strămoșilor umani și a deschis capitolul civilizației. Flăcările și lămpile incandescente sunt ambele surse de radiații spontane. Ard sau căldură pentru a pune electroni într-o stare de energie mare, apoi eliberează fotoni sub acțiunea energiei cu punct zero în vid pentru a ilumina lumea.
Radiația stimulată relevă o interacțiune mai profundă între lumină și materie. Când un foton extern trece printr -o substanță într -o stare excitată, declanșează substanța pentru a elibera un nou foton care este exact același cu fotonul incident. Acest foton „copiat” face ca fasciculul ușor să fie extrem de direcțional și consecvent, care este laserul cu care suntem familiarizați. Deși invenția laserului este în urmă cu mai puțin de un secol, a fost rapid integrată în viața publică, aducând schimbări de agitare a pământului.
Invenția laserului a deschis o ușă strălucitoare pentru ca omenirea să exploreze necunoscutul. Ne oferă instrumente puternice și promovează foarte mult dezvoltarea civilizației moderne. În domeniul informațiilor și comunicării, laserele au făcut ca comunicațiile optice cu fibră de mare viteză să devină realitate și au făcut posibilă interconectarea globală. În îngrijirile medicale, chirurgia cu laser este caracterizată de o precizie ridicată și de invazivitate minim, oferind pacienților metode de tratament mai sigure și mai eficiente. În fabricația industrială, tăierea și sudarea cu laser îmbunătățesc eficiența producției și precizia produsului, permițând oamenilor să creeze utilaje și echipamente mai sofisticate. În cercetarea științifică, laserele sunt instrumente cheie pentru detectarea undelor gravitaționale și tehnologia informației cuantice, ajutând oamenii de știință să descopere misterele universului.
De la imprimarea cu laser și frumusețea medicală în viața de zi cu zi până la fuziunea nucleară controlată, radarul laser și armele laser în tehnologia de ultimă oră, laserele sunt peste tot și au un impact profund asupra dezvoltării lumii. Nu numai că ne -a schimbat modul de viață, dar a extins și capacitatea ființelor umane de a înțelege și transforma natura.
2. Instrumente puternice pentru a înțelege și a valorifica natura
Inspirat de legea radiațiilor negre a lui Planck, Einstein a propus conceptul de radiații stimulate în 1917, iar această descoperire a pus bazele invenției laserelor. În 1954, oamenii de știință americani Townes și alții au raportat pentru prima dată un oscilator cu microunde realizat prin radiații stimulate, și anume un maser cu microunde. Au folosit molecule de amoniac excitate ca medii de câștig și au folosit o cavitate rezonantă cu microunde de aproximativ 12 cm lungime pentru a oferi feedback, realizând maseri cu microunde cu o lungime de undă de aproximativ 12,56 cm. Maserul cu microunde este considerat predecesorul laserului, dar laserul poate produce radiații coerente la o frecvență mai mare, cu avantaje precum volum mai mic, intensitate mai mare și capacitate de transport mai mare.
În 1960, omul de știință american Maiman a inventat primul laser. El a folosit o tijă de rubin de aproximativ 1 cm lungime ca mediul de câștig, iar cele două capete ale tijei au fost placate cu argint pentru a acționa ca reflectoare pentru a oferi feedback optic. Sub excitația unei lămpi flash, dispozitivul a produs o ieșire laser cu o lungime de undă de 694,3 nanometre. Este demn de remarcat faptul că dimensiunea Maser -ului cu microunde este de aceeași ordine de mărime ca și lungimea de undă. Conform acestei relații proporționale, dimensiunea laserului ar trebui să fie de aproximativ 700 de nanometri. Cu toate acestea, dimensiunea primului laser a fost mult mai mare decât aceasta, cu mai mult de 4 ordine de mărime. A fost nevoie de aproximativ 30 de ani pentru a micsora laserul până la o dimensiune comparabilă cu lungimea de undă și a fost nevoie de jumătate de secol pentru a trece prin limita lungimii de undă și a realiza lasere profunde ale lungimii de subțire.
În comparație cu sursele obișnuite de lumină, energia de radiație a maserilor și laserelor cu microunde este concentrată într -un interval de frecvență foarte restrâns. Prin urmare, aceste două invenții pot fi considerate ca localizarea undelor electromagnetice în spațiul de frecvență prin radiații stimulate. Radiația stimulată poate fi, de asemenea, utilizată pentru localizarea undelor electromagnetice în dimensiuni de timp, impuls și spațiu. Prin localizarea undelor electromagnetice în aceste dimensiuni, sursele de lumină laser pot obține oscilații de frecvență extrem de stabile, impulsuri ultra-scurte, direcționalitate ridicată și volume de mod extrem de mici, ceea ce ne permite să măsurăm cu exactitate timpul, să observăm mișcare rapidă, să transmitem informații și energie pe distanțe lungi lungi , obțineți miniaturizarea dispozitivului și obțineți o rezoluție de imagistică mai mare.
De la apariția laserelor, oamenii urmăresc în mod constant localizarea mai puternică a câmpurilor ușoare în dimensiuni, cum ar fi frecvența, timpul, impulsul și spațiul, promovând dezvoltarea rapidă a cercetării fizicii laser și a dispozitivelor laser, făcând din lasere un instrument puternic pentru înțelegerea și utilizarea naturii naturii .
În dimensiunea frecvenței, prin cavitate de înaltă calitate, controlul feedback-ului și izolarea mediului, laserele pot menține frecvențe extrem de stabile, promovând descoperiri în multe cercetări științifice majore, cum ar fi Bose-Einstein Condensation (2001 Premiul Nobel pentru fizică), spectroscopie cu laser de precizie (2001 2005 Premiul Nobel pentru fizică) și detectarea valurilor gravitaționale (Premiul Nobel pentru fizică din 2017).
În dimensiunea timpului, tehnologia de blocare a modului și tehnologia de generare armonică de înaltă ordine fac ca impulsurile cu laser ultrashort să fie realitate. Prin localizarea în timp extrem, laserele ATOSECOND pot produce impulsuri ușoare care durează doar un ciclu optic. Această descoperire face posibilă observarea proceselor ultrarapele, cum ar fi mișcarea electronilor în stratul interior al atomilor și a câștigat Premiul Nobel pentru fizică din 2023.
În dimensiunea momentului, dezvoltarea laserelor cu un singur mod cu o suprafață mare a obținut un grad ridicat de localizare a câmpului luminos în spațiul momentului, ceea ce face ca fasciculul laser să fie extrem de direcțional. Laserul extrem de colimat este de așteptat să promoveze dezvoltarea comunicațiilor optice de mare viteză interstelară cu distanță ultra-lungă.
În dimensiunea spațială, introducerea plasmoanelor de suprafață și a mecanismelor de localizare a câmpului de lumină singularitatea permite volumului modului laser să treacă prin limita de difracție optică și să ajungă la o scară mai mică decât (λ/2N) 3 (unde λ este lungimea de undă a luminii libere libere și N este indicele de refracție al materialului), dând astfel naștere nanolaserilor. Apariția nanolaserilor are o semnificație de anvergură pentru inovarea tehnologiei informației și studierea interacțiunii dintre lumină și materie în condiții extreme.
3. Ruperea limitei de difracție optică
La mai bine de 30 de ani de la inventarea laserului, odată cu avansarea tehnologiei de micro-prelucrare și o înțelegere mai profundă a cercetării fizicii laser și a dispozitivelor laser, diverse tipuri de lasere micro-semiconductoare au fost dezvoltate unul după altul, inclusiv laseri cu micro-disc , lasere cu defecte cristalice fotonice și lasere nanofire. În 1992, Bell Laboratories din Statele Unite au realizat cu succes primul laser cu micro-disc, folosind modul de galerie de șoaptă din micro-disc pentru a permite luminii să reflecte în mod repetat în micro-disc, să genereze feedback rezonant și să obțină lasing. În 1999, Institutul de Tehnologie din California din Statele Unite a realizat primul laser cu defecte cristaline fotonice prin introducerea defectelor punctului în cristale fotonice bidimensionale pentru a restrânge lumina. În 2001, Universitatea din California, Berkeley, a realizat cu succes laserele cu nanofire semiconductor pentru prima dată folosind chipul final al unui nanofire ca reflector. Aceste lasere reduc dimensiunea caracteristicii la ordinea unei singure lungimi de undă de vid, dar datorită limitărilor limitei de difracție optică, aceste lasere bazate pe rezonanți dielectrici sunt dificil de micșorat.
În geometrie, lungimea părții unghiulate din dreapta a unui triunghi drept este mai mică decât lungimea hipotenuzei. La scară microscopică, pentru a rupe limita de difracție, lungimea celor două părți unghiulare drepte trebuie să fie mai mare decât hipotenuză. În 2009, trei echipe din lume au realizat pentru prima dată nanolasele plasmonice care au trecut prin limita de difracție optică. Printre aceștia, echipa Universității din California, Berkeley și Peking University și-a dat seama de un nanolaser plasmonic bazat pe o structură unidimensională de nanowire-metal-metal nanowire-metal; Echipa Universității de Tehnologie Eindhoven din Olanda și Universitatea de Stat din Arizona din Statele Unite a dezvoltat un nanolaser plasmonic bazat pe o structură de plăci plane cu trei straturi metal-simemiconductor-metal; Echipa Universității de Stat Norfolk și Universitatea Purdue din Statele Unite a demonstrat un nanolaser plasmonic de structură de coajă de bază, bazat pe un coajă medie de câștig metalică, încorporată, bazată pe rezonanță plasmonică de suprafață localizată.
Cu alte cuvinte, prin introducerea unităților imaginare în ecuația de dispersie, oamenii de știință au construit de fapt un triunghi special cu o parte unghiulară dreaptă mai lungă decât hipotenuza. Acest triunghi special este cel care ne permite să obținem fizic localizarea mai puternică a câmpului de lumină.
După mai bine de 10 ani de dezvoltare, nanolaserii plasmonici au demonstrat caracteristici excelente, cum ar fi volumul modului extrem de mic, viteza de modulare ultrarapidă și consumul redus de energie. Cu toate acestea, în comparație cu materialele dielectrice, deși efectul plasmonic cuplă câmpul de lumină cu oscilația colectivă a electronilor liberi în metale pentru a obține o localizare mai puternică a câmpului de lumină, această cuplare introduce și pierderi ohmice inerente, ceea ce duce la generarea de căldură, care la rândul său crește puterea dispozitivului puterii dispozitivului consum și limitează timpul său de coerență.
În 2024, echipa Universității Peking a propus o nouă ecuație de dispersie singularității, dezvăluind caracteristicile de dispersie ale nanoantenului cu arc-dielectric. Prin încorporarea nanoantenului cu arc în structura de nanocavitate din colț propusă de echipa Universității Peking, un nanolaser dielectric singularitate care rupe limita de difracție optică a fost realizată într-un sistem dielectric pentru prima dată. Acest design structural permite comprimatul câmpului de lumină la extremă, iar teoretic poate ajunge la un volum de mod infinit de mic, care este mult mai mic decât limita de difracție optică. În plus, structura sofisticată a nanocavității din colț îmbunătățește în continuare capacitatea de stocare a câmpului ușor, oferind nanolaserului singularității un factor de calitate ultra-înaltă și factorul său de calitate a cavității optice (adică raportul dintre energia stocată în cavitatea optică la energia pierdută pe ciclu) poate depăși 1 milion.
Echipa Universității din Peking a dezvoltat în continuare tehnologia cu fază de frecvență optică bazată pe nanolaseri. Aceștia au demonstrat cu succes potențialul puternic al tehnologiei coerente de lasing, controlând precis lungimea de undă și faza fiecărui nanolaser din tabloul cu laser. De exemplu, echipa a folosit această tehnologie pentru a realiza o matrice de frecvență optică coerentă în modele precum „P”, „K”, „U”, „China” și „China”, demonstrând perspectivele sale largi de aplicare în domeniile fotonicii integrate , tablouri de sursă de lumină micro-nano și comunicații optice. (Autor: Ma Renmin, profesor al Școlii de Fizică, Universitatea Peking)
