مفهوم و طبقه بندی نانولیزرها

نانولیزر نوعی دستگاه میکرو و نانو است که از نانوموادی مانند نانوسیم به عنوان تشدید کننده ساخته شده و می تواند لیزر را تحت تحریک نوری یا تحریک الکتریکی منتشر کند. اندازه این لیزر اغلب تنها صدها میکرون یا حتی ده‌ها میکرون است و قطر آن تا حد نانومتر است که بخش مهمی از نمایشگر فیلم نازک آینده، اپتیک یکپارچه و سایر زمینه‌ها است.

طبقه بندی نانولیزر:

1. لیزر نانوسیم

در سال 2001، محققان دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، در ایالات متحده، کوچکترین لیزر جهان - نانولیزرها - را بر روی سیم نانواپتیکی که تنها یک هزارم طول موی انسان است، ایجاد کردند. این لیزر نه تنها لیزرهای فرابنفش را ساطع می کند، بلکه می تواند برای انتشار لیزرهایی از آبی تا فرابنفش عمیق تنظیم شود. محققان از تکنیک استانداردی به نام اپی فیتاسیون جهت دار برای ایجاد لیزر از کریستال های اکسید روی خالص استفاده کردند. آنها ابتدا نانوسیم‌ها را «کشت» کردند، یعنی روی یک لایه طلا با قطر 20 تا 150 نانومتر و طول سیم‌های اکسید روی خالص 10000 نانومتر تشکیل شدند. سپس، زمانی که محققان کریستال‌های اکسید روی خالص را در نانوسیم‌ها با لیزر دیگری در زیر گلخانه فعال کردند، کریستال‌های اکسید روی خالص، لیزری با طول موج تنها 17 نانومتر منتشر کردند. چنین نانولیزرهایی در نهایت می‌توانند برای شناسایی مواد شیمیایی و بهبود ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات دیسک‌های کامپیوتری و کامپیوترهای فوتونیک استفاده شوند.

2. نانولیزر فرابنفش

به دنبال ظهور میکرو لیزرها، لیزرهای میکرو دیسک، لیزرهای میکرو حلقه و لیزرهای کوانتومی بهمن، شیمیدان یانگ پیدونگ و همکارانش در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، نانولیزرهایی با دمای اتاق ساختند. این نانولیزر اکسید روی می تواند لیزری با پهنای خط کمتر از 0.3 نانومتر و طول موج 385 نانومتر تحت تحریک نور ساطع کند که به عنوان کوچکترین لیزر جهان و یکی از اولین دستگاه های کاربردی تولید شده با استفاده از فناوری نانو محسوب می شود. در مرحله اولیه توسعه، محققان پیش‌بینی کردند که این نانولیزر ZnO ساخت آسان، روشنایی بالا، اندازه کوچک و عملکرد برابر یا حتی بهتر از لیزرهای آبی GaN است. به دلیل توانایی ساخت آرایه های نانوسیمی با چگالی بالا، نانولیزرهای ZnO می توانند کاربردهای زیادی را وارد کنند که با دستگاه های GaAs امروزی امکان پذیر نیست. به منظور رشد چنین لیزرهایی، نانوسیم ZnO با روش انتقال گاز سنتز می شود که رشد کریستال همپایه را کاتالیز می کند. ابتدا زیرلایه یاقوت کبود با لایه ای از فیلم طلایی به ضخامت 1 نانومتر تا 3.5 نانومتر پوشانده می شود و سپس آن را روی یک قایق آلومینا قرار می دهیم، مواد و زیرلایه در جریان آمونیاک تا 880 درجه سانتیگراد تا 905 درجه سانتیگراد گرم می شود تا تولید شود. بخار روی، و سپس بخار روی به زیرلایه منتقل می شود. نانوسیم‌های 2μm ~ 10μm با سطح مقطع شش ضلعی در فرآیند رشد 2 دقیقه تا 10 دقیقه تولید شدند. محققان دریافتند که نانوسیم ZnO یک حفره لیزری طبیعی با قطر 20 نانومتر تا 150 نانومتر تشکیل می‌دهد و بیشتر (95 درصد) قطر آن 70 نانومتر تا 100 نانومتر است. برای مطالعه انتشار تحریک‌شده نانوسیم‌ها، محققان نمونه را به صورت نوری در گلخانه‌ای با خروجی هارمونیک چهارم لیزر Nd:YAG (طول موج 266 نانومتر، عرض پالس 3 نانومتر) پمپ کردند. در طول تکامل طیف انتشار، نور با افزایش قدرت پمپ کاهش می یابد. هنگامی که لیزر از آستانه نانوسیم ZnO (حدود 40 کیلووات بر سانتی متر) فراتر رود، بالاترین نقطه در طیف انتشار ظاهر می شود. عرض خط این بالاترین نقاط کمتر از 0.3 نانومتر است که بیش از 1/50 کمتر از عرض خط از راس انتشار زیر آستانه است. این پهنای خط باریک و افزایش سریع در شدت انتشار، محققان را به این نتیجه رساند که انتشار تحریک شده در این نانوسیم‌ها واقعاً رخ می‌دهد. بنابراین، این آرایه نانوسیم می تواند به عنوان یک تشدید کننده طبیعی عمل کند و در نتیجه تبدیل به یک منبع میکرو لیزر ایده آل شود. محققان بر این باورند که این نانولیزر با طول موج کوتاه می‌تواند در زمینه‌های محاسبات نوری، ذخیره‌سازی اطلاعات و نانوآنالایزر استفاده شود.

3. لیزرهای چاه کوانتومی

قبل و بعد از سال 2010، عرض خط حک شده بر روی تراشه نیمه هادی به 100 نانومتر یا کمتر خواهد رسید و تنها تعداد کمی الکترون در مدار حرکت می کنند و افزایش و کاهش یک الکترون تأثیر زیادی بر عملکرد تراشه خواهد داشت. مدار. برای حل این مشکل، لیزرهای چاه کوانتومی متولد شدند. در مکانیک کوانتومی، میدان پتانسیلی که حرکت الکترون ها را محدود می کند و آنها را کوانتیزه می کند، چاه کوانتومی نامیده می شود. این محدودیت کوانتومی برای تشکیل سطوح انرژی کوانتومی در لایه فعال لیزر نیمه هادی استفاده می شود، به طوری که انتقال الکترونیکی بین سطوح انرژی بر تابش برانگیخته لیزر، که یک لیزر چاه کوانتومی است، غالب می شود. دو نوع لیزر چاه کوانتومی وجود دارد: لیزر خط کوانتومی و لیزر نقطه کوانتومی.

① لیزر خط کوانتومی

دانشمندان لیزرهای سیم کوانتومی را ابداع کرده‌اند که 1000 برابر قوی‌تر از لیزرهای سنتی هستند و گام بزرگی در جهت ایجاد رایانه‌ها و دستگاه‌های ارتباطی سریع‌تر برداشته‌اند. این لیزر که می تواند سرعت صدا، تصویر، اینترنت و سایر اشکال ارتباطی را از طریق شبکه های فیبر نوری افزایش دهد، توسط دانشمندان دانشگاه ییل، آزمایشگاه فناوری های Lucent Bell در نیوجرسی و موسسه فیزیک ماکس پلانک در درسدن ساخته شده است. آلمان این لیزرهای پرقدرت نیاز به Repeaterهای گران قیمت را که هر 80 کیلومتر (50 مایل) در امتداد خط ارتباطی نصب می‌شوند، کاهش می‌دهند و دوباره پالس‌های لیزری تولید می‌کنند که در حین حرکت در فیبر (Repeaters) شدت کمتری دارند.