Lazeriai yra plačiai naudojami ryšiuose, medicininiuose vaizdavimuose ir chirurgijoje, vartojimo elektronikoje ir kitose srityse, ir jie iš esmės pakeitė žmonių gyvenimą. Pastaraisiais metais, norėdami, kad lazerių dydis būtų mažesnis, mokslininkai sukūrė nanolaserius, o tai ne tik dar labiau skatina miniatiūrizavimą ir fotoninių prietaisų integraciją, bet ir atveria naujus kelius, skirtus tyrinėti šviesos ir materijos sąveiką ekstremaliomis sąlygomis. Šis straipsnis prasideda nuo šviesos generavimo ir privalo išsamiai ištirti nanolaserių pasaulį.
Informacinių technologijų srityje tranzistoriai ir lazeriai yra du pagrindiniai komponentai. Miniatiūrizavimas tranzistorių paskatino greitą elektroninių lustų vystymąsi ir sukėlė gerai žinomą Moore'o įstatymą - tranzistorių, kuriuos galima pritaikyti integruotoje grandinėje, skaičius padidės kas maždaug 18 mėnesių. Ši tendencija padidino pažangiausių tranzistorių dydį į nanometrų lygį. Šiuo metu daugiau nei 10 milijardų tranzistorių galima integruoti į visuomenės naudojamą mobilųjį telefoną ir kompiuterių lustus, suteikiant šiems įrenginiams galingos informacijos apdorojimo galimybės ir skatinti skaitmeninės ir intelektualios eros atvykimą. Tuo pat metu lazerių miniatiūrizavimas sukėlė fotoninių technologijų revoliuciją. Po daugiau nei pusės amžiaus plėtros, miniatiūriniai puslaidininkiniai lazeriai buvo plačiai naudojami ryšiuose, duomenų saugojime, medicininiu vaizdavimu ir operacijomis, jutimais ir matavimais, vartojimo elektronika, priedų gamyba, ekranas ir apšvietimas bei kiti laukai.
Mastelio lazeriai yra sunkesni nei tranzistoriai, nes jie remiasi labai skirtingais mikroskopinėmis dalelėmis-transistentais, remiasi elektronais, o lazeriai remiasi fotonais. Matomose ir artimųjų infraraudonųjų spindulių juostose fotono bangos ilgiai yra trys laipsniai didesni už tranzistorių elektronų bangos ilgį. Atsižvelgiant į difrakcijos ribą, mažiausias režimo tūris, į kurį galima išspausti šiuos fotonus, yra maždaug devyni dydžio laipsniai arba milijardo kartų, didesnis nei tranzistoriaus elektronų. Pagrindinis iššūkis kuriant nanoskalės lazerius yra tai, kaip nutraukti difrakcijos ribą ir „suspausti“ fotonų tūrį iki ribos. Šios problemos įveikimas ne tik žymiai skatins fotoninių technologijų plėtrą, bet ir sukels daug naujų programų scenarijų. Įsivaizduokite, kad kai fotonai, kaip ir elektronai, gali būti lanksčiai manipuliuojami nanometrų skalėje, galime naudoti šviesą tiesiogiai stebėti dusbi DNR struktūrą, taip pat galime sukurti didelio masto optoelektroninius integruotus lustus, o informacijos apdorojimo greičio ir efektyvumo efektyvumas ir efektyvumas bus Būkite labai patobulinti.
Pastaraisiais metais per paviršiaus plazmonus ir vienaskaitos taško šviesos lauko lokalizacijos mechanizmus lazerio režimo tūris viršijo optinės difrakcijos ribą ir pateko į nanoskalę, todėl atsirado nanolių.
1. Atidarykite šviesias duris, kad ištirtumėte nežinomus
Gamtoje šviesa sukuriama dviem būdais: spontaniška radiacija ir stimuliuota radiacija.
Spontaniška radiacija yra nuostabus procesas. Net visoje tamsoje ir be jokių išorinių fotonų materija gali skleisti šviesą. Taip yra todėl, kad vakuumas nėra „tuščias“. Jis užpildytas mažais energijos svyravimais, vadinamais vakuumine nulinio taško energija. Vakuuminės nulio taško energija gali sukelti susijaudinusią medžiagą fotonus. Pavyzdžiui, žvakės uždegimas sukuria žvakių šviesą. Žmonių ugnies panaudojimo istorija gali būti atsekta daugiau nei prieš 1 milijoną metų. Gaisras žmonių protėviams atnešė šviesos ir šilumos ir atidarė civilizacijos skyrių. Liepsnos ir kaitrinės lempos yra spontaniški radiacijos šaltiniai. Jie dega ar šiluma, kad elektronai būtų įterpti į didelės energijos būseną, o paskui išskiria fotonus veikiant vakuuminės nulinio taško energijos, kad būtų galima apšviesti pasaulį.
Stimuliuota radiacija atskleidžia gilesnę šviesos ir materijos sąveiką. Kai išorinis fotonas praeina per sužadintos būklės medžiagą, jis suaktyvina medžiagą išlaisvinti naują fotoną, kuris yra lygiai taip pat, kaip ir įvykio fotonas. Šis „nukopijuotas“ fotonas daro šviesos pluoštą labai kryptiną ir nuoseklią, o tai yra lazeris, su kuriuo esame pažįstami. Nors lazerio išradimas yra mažiau nei prieš šimtmetį, jis greitai buvo integruotas į viešąjį gyvenimą, sukeldamas žemės drebėjimo pokyčius.
Lazerio išradimas atvėrė ryškias duris žmonijai ištirti nežinomybės. Tai suteikia mums galingų įrankių ir labai skatina šiuolaikinės civilizacijos vystymąsi. Informacijos ir komunikacijos srityje lazeriai padarė greitą pluošto optinių ryšių realybę ir padarė pasaulinį sujungimą. Medicininėje priežiūroje lazerio operacijai būdingas didelis tikslumas ir minimaliai invaziškumas, suteikiant pacientams saugesnius ir veiksmingesnius gydymo metodus. Pramonės gamybos metu lazeriu pjaustymas ir suvirinimas pagerina gamybos efektyvumą ir produkto tikslumą, leidžiančią žmonėms sukurti sudėtingesnę mašiną ir įrangą. Moksliniuose tyrimuose lazeriai yra pagrindinės gravitacinių bangų aptikimo ir kvantinių informacinių technologijų įrankiai, padedantys mokslininkams atskleisti visatos paslaptis.
Nuo lazerinio spausdinimo ir medicininio grožio kasdieniame gyvenime iki kontroliuojamos branduolinės sintezės, lazerinio radaro ir lazerinių ginklų pažangiausiose technologijose, lazeriai yra visur ir daro didelę įtaką pasaulio vystymuisi. Tai ne tik pakeitė mūsų gyvenimo būdą, bet ir išplėtė žmonių sugebėjimą suprasti ir transformuoti gamtą.
2. Galingi įrankiai, skirti suprasti ir panaudoti gamtą
Įkvėptas Plancko juodojo kūno radiacijos įstatymo, Einšteinas pasiūlė 1917 m. Stimuliuojamos radiacijos sąvoką, ir šis atradimas padėjo pagrindą lazerių išradimui. 1954 m. Amerikos mokslininkai ir kiti pirmą kartą pranešė apie mikrobangų osciliatorių, kurį realizavo stimuliuojama radiacija, būtent mikrobangų krosnelė. Jie naudojo susijaudinusias amoniako molekules kaip didinimo terpę ir naudojo maždaug 12 cm ilgio mikrobangų krosnelės ertmę, kad pateiktų grįžtamąjį ryšį, realizuodami mikrobangų krosnelės maserius, kurių bangos ilgis buvo apie 12,56 cm. Mikrobangų krosnelės maseris laikomas lazerio pirmtaku, tačiau lazeris gali sukelti nuoseklią spinduliuotę didesniu dažniu, turėdamas privalumų, tokių kaip mažesnis tūris, didesnis intensyvumas ir didesnė informacijos nešiojimo galimybė.
1960 m. Amerikos mokslininkas Maimanas išrado pirmąjį lazerį. Jis panaudojo maždaug 1 cm ilgio rubino lazdelę, o padidėjimo terpė, o du strypo galai buvo sidabriniai, kad veiktų kaip atšvaitai, kad pateiktų optinį grįžtamąjį ryšį. Sugadinus blykstės lempą, prietaisas pagamino lazerio išėjimą, kurio bangos ilgis buvo 694,3 nanometrų. Verta paminėti, kad mikrobangų krosnelės maserio dydis yra tokios pat dydžio, kaip ir jo bangos ilgis. Remiantis šiuo proporcingu ryšiu, lazerio dydis turėtų būti apie 700 nanometrų. Tačiau pirmojo lazerio dydis buvo daug didesnis nei šis, daugiau nei 4 laipsniais. Lazerio susitraukimas prireikė maždaug 30 metų iki bangos ilgio, panašaus į bangos ilgį, ir prireikė pusės amžiaus, kad peržengčiau bangos ilgio ribą ir realizuotų gilų požeminio ilgio lazerius.
Palyginti su įprastais šviesos šaltiniais, mikrobangų krosnelės ir lazerių spinduliuotės energija yra sutelkta labai siaurame dažnio diapazone. Todėl šiuos du išradimus galima laikyti lokaliomis elektromagnetinėmis bangomis dažnio erdvėje per stimuliuojamą radiaciją. Stimuliuota radiacija taip pat gali būti naudojama elektromagnetinėms bangoms lokalizuoti laiku, impulsų ir erdvės matmenis. Lokalizuodami elektromagnetines bangas šiuose matmenimis, lazerio šviesos šaltiniai gali pasiekti ypač stabilius dažnio virpesius, ypač trumpus impulsus, didelį kryptingumą ir ypač mažus režimo tūrius, kurie leidžia mums tiksliai išmatuoti laiką, stebėti greitą judesį, perduoti informaciją ir energiją dideliais atstumais dideliais atstumais. , Pasiekite miniatiūrizaciją prietaiso ir gaukite didesnę vaizdavimo skiriamąją gebą.
Nuo lazerių atsiradimo žmonės nuolat siekė stipresnės šviesos laukų lokalizacijos matmenimis, tokiais kaip dažnis, laikas, impulsas ir erdvė, skatinti greitą lazerio fizikos tyrimų ir lazerinių prietaisų vystymą .
Dažnio dimensijoje, naudojant aukštos kokybės ertmę, grįžtamojo ryšio kontrolę ir aplinkos izoliaciją, lazeriai gali išlaikyti ypač stabilų dažnį, skatindami daugelio pagrindinių mokslinių tyrimų proveržius, tokius kaip Bose-Einšteino kondensacija (2001 m. Nobelio fizikos premija), tikslios lazerinės spektroskopijos ( 2005 m. Nobelio fizikos premija) ir gravitacinių bangų aptikimas (2017 m. Nobelio fizikos premija).
Laiko dimensijoje, režimo užrakinimo technologija ir aukštos eilės harmoninės kartos technologijos ultravioletinių lazerių impulsai tampa realybe. Esant ekstremaliam laiko lokalizavimui, attosekundės lazeriai gali gaminti šviesos impulsus, kurie trunka tik apie vieną optinį ciklą. Šis proveržis leidžia stebėti ypačinius procesus, tokius kaip elektronų judėjimas vidiniame atomų sluoksnyje, ir laimėjo 2023 m. Nobelio fizikos premiją.
Esant impulsui, didelio ploto vieno režimo lazerių vystymasis pasiekė aukštą šviesos lauko lokalizacijos laipsnį impulsų erdvėje, todėl lazerio pluoštas tapo labai kryptingas. Tikimasi, kad gautas labai kolimizuotas lazeris skatins ypač ilgio atstumo tarpžvaigždinių greitųjų optinių ryšių kūrimą.
Esant erdviniam matmeniui, paviršiaus plazmonų įvedimas ir išskirtinumo šviesos lauko lokalizacijos mechanizmai leidžia lazerio režimo tūriui nutrūkti per optinės difrakcijos ribą ir pasiekti mažesnę skalę nei (λ/2n) 3 (kur λ yra laisvosios erdvės šviesos bangos ilgis ir n yra medžiagos lūžio rodiklis), taigi pagimdo nanolasers. Nanolasers atsiradimas turi didelę reikšmę informacinėms informacinėms technologijoms ir tyrinėti šviesos ir materijos sąveiką ekstremaliomis sąlygomis.
3. Optinės difrakcijos ribos sulaužymas
Praėjus daugiau nei 30 metų po lazerio išradimo, tobulinant mikrobangų technologijas ir gilesnį lazerio fizikos tyrimų ir lazerinių prietaisų supratimą, vienas po kito buvo sukurti įvairių rūšių mikro-semiklaidžių lazeriai, įskaitant mikro-disko lazerius. , fotoninių kristalų defektų lazeriai ir nanovyro lazeriai. 1992 m. „Bell Laboratories“ JAV sėkmingai realizavo pirmąjį mikro disko lazerį, naudodamos „Whispering“ galerijos režimą mikro diske, kad šviesa galėtų pakartotinai atspindėti mikro diską, generuoti rezonansinius atsiliepimus ir pasiekti lazerį. 1999 m. Kalifornijos technologijos institutas Jungtinėse Valstijose suprato pirmąjį fotoninių kristalų defektų lazerį, įvesdamas taškų defektus dvimatiuose fotoniniame kristaluose, kad suvaržytų šviesą. 2001 m. Kalifornijos universitetas, Berkeley, pirmą kartą sėkmingai realizavo puslaidininkių nanovyro lazerius, naudodama „Nanowire“ kaip reflektoriaus galutinį veidą. Šie lazeriai sumažina savybės dydį iki vieno vakuumo bangos ilgio, tačiau dėl optinės difrakcijos ribos apribojimų šias lazerius, pagrįstus dielektriniais rezonatoriais, sunku dar labiau susitraukti.
Geometrijoje dešiniojo trikampio dešiniosios pusės ilgis yra mažesnis už hipotenuzės ilgį. Mikroskopinėje skalėje, kad būtų galima nutraukti difrakcijos ribą, dviejų dešiniarankių pusių ilgis turi būti didesnis nei hipotenuja. 2009 m. Trys pasaulio komandos pirmą kartą suprato plazmoninius nanolaserius, kurie nutrūko per optinės difrakcijos ribą. Tarp jų Kalifornijos universiteto, Berkeley ir Pekino universiteto komanda suprato plazmonišką nanolaserą, pagrįstą vienmačiu puslaidininkiu nanodukliais-izoliatoriaus-metalo struktūra; Eindhoveno technologijos universiteto Nyderlandų ir Arizonos valstijos universiteto komanda JAV sukūrė plazmonišką nanolaserą, pagrįstą metalo semiklaidininko-metalo trijų sluoksnių plokščiosios plokštės struktūra; Norfolko valstybinio universiteto ir Purdue universiteto komanda JAV pademonstravo šerdies apvalkalo struktūros plazmoninę nanolaserą, pagrįstą metalo šerdies įterpto stiprintuvo vidutinio apvalkalo, pagrįsto lokalizuotu paviršiaus plazmono rezonansu.
Kitaip tariant, įvedę įsivaizduojamus vienetus dispersijos lygtyje, mokslininkai iš tikrųjų sukonstravo specialų trikampį, kurio dešiniosios pusės pusė yra ilgesnė nei hipotenutinė. Būtent šis specialus trikampis leidžia mums fiziškai pasiekti stipresnę šviesos lauko lokalizaciją.
Po daugiau nei 10 metų vystymosi plazmono nanolaseriai pademonstravo puikias savybes, tokias kaip ypač mažas režimo tūris, ypač didelis moduliacijos greitis ir mažai energijos suvartojant. Tačiau, palyginti su dielektrinėmis medžiagomis, nors plazmono efektas sujungia šviesos lauką su kolektyviniu laisvųjų elektronų virpesiu metalais, kad būtų pasiekta stipresnė šviesos lauko lokalizacija, ši jungtis taip pat sukelia būdingus ominius nuostolius, todėl šilumos susidarymas, o tai savo ruožtu padidina prietaiso galios galią suvartojimas ir riboja jo darnos laiką.
2024 m. Pekino universiteto komanda pasiūlė naują išskirtinumo dispersijos lygtį, atskleisdama visos dielektrinės nanoantenos dispersijos ypatybes. Įterpiant „Bow-Tie Nanoantenna“ į kampinę nanokavitacijos struktūrą, kurią pasiūlė Pekino universiteto komanda, išskirtinumo dielektrinis nanolaseris, kuris pirmą kartą sulaužo optinės difrakcijos ribą, pirmą kartą buvo realizuota dielektrinėje sistemoje. Šis konstrukcinis dizainas leidžia šviesos lauką suspausti iki kraštutinumo, ir teoriškai gali pasiekti be galo mažą režimo tūrį, kuris yra daug mažesnis nei optinės difrakcijos riba. Be to, sudėtinga kampinio nanokavitacijos struktūra dar labiau padidina šviesos lauko saugojimo talpą, suteikdama išskirtinumo nanolaserą ypač aukšto kokybės koeficientą ir jo optinės ertmės kokybės koeficientą (ty, optinėje ertmėje kaupiamos energijos santykyje. iki energijos, prarastos per ciklą) gali viršyti 1 milijoną.
Pekino universiteto komanda taip pat sukūrė optinio dažnio fazių masyvo technologiją, pagrįstą nanolaseriais. Jie sėkmingai pademonstravo galingą masyvo nuoseklios lazuliavimo technologijos potencialą, tiksliai kontroliuodami kiekvieno nanolaserio lazerio masyvo lazavimo bangos ilgį ir fazę. Pavyzdžiui, komanda panaudojo šią technologiją, kad pasiektų optinio dažnio masyvo nuoseklų lazerį tokiuose modeliuose kaip „P“, „K“, „U“, „Kinija“ ir „Kinija“, parodydama savo plačias taikymo perspektyvas integruotos fotonikos srityse , „Micro-Nano“ šviesos šaltinių masyvai ir optiniai ryšiai. (Autorius: Ma Renmin, Pekino universiteto Fizikos mokyklos profesorius)
