Nanolaser je druh mikro a nano zariadenia, ktoré je vyrobené z nanomateriálov, ako sú nanodrôty ako rezonátory, a môže vyžarovať laserové žiarenie pri fotoexcitácii alebo elektrickej excitácii. Veľkosť tohto laseru je často len stovky mikrónov alebo dokonca desiatky mikrónov a priemer je rádovo v nanometroch, čo je dôležitá súčasť budúcich tenkovrstvových displejov, integrovanej optiky a ďalších oblastí.
Klasifikácia nanolaseru:
1. Nanodrôtový laser
V roku 2001 výskumníci z Kalifornskej univerzity v Berkeley v Spojených štátoch vytvorili najmenší laser na svete – nanolasery – na nanooptickom drôte s dĺžkou len tisíciny ľudského vlasu. Tento laser nielenže vyžaruje ultrafialové lasery, ale dá sa naladiť aj na vyžarovanie laserov v rozsahu od modrej až po hlboké ultrafialové žiarenie. Výskumníci použili štandardnú techniku nazývanú orientovaná epifytácia na vytvorenie laseru z čistých kryštálov oxidu zinočnatého. Najprv „kultivovali“ nanodrôty, teda tie, ktoré boli vytvorené na zlatej vrstve s priemerom 20 nm až 150 nm a dĺžkou 10 000 nm na drôtoch z čistého oxidu zinočnatého. Keď potom výskumníci aktivovali kryštály čistého oxidu zinočnatého v nanodrôtoch iným laserom pod skleníkom, kryštály čistého oxidu zinočnatého vyžarovali laser s vlnovou dĺžkou iba 17 nm. Takéto nanolasery by sa nakoniec mohli použiť na identifikáciu chemikálií a zlepšenie kapacity ukladania informácií na počítačových diskoch a fotonických počítačoch.
2. Ultrafialový nanolaser
Po objavení mikrolaserov, mikrodiskových laserov, mikrokruhových laserov a kvantových lavínových laserov chemik Yang Peidong a jeho kolegovia z Kalifornskej univerzity v Berkeley vyrobili nanolasery pri izbovej teplote. Tento nanolaser z oxidu zinočnatého dokáže pri svetelnej excitácii vyžarovať laser so šírkou čiary menšou ako 0,3 nm a vlnovou dĺžkou 385 nm, čo je považované za najmenší laser na svete a jedno z prvých praktických zariadení vyrobených pomocou nanotechnológie. V počiatočnej fáze vývoja výskumníci predpovedali, že tento ZnO nanolaser sa ľahko vyrába, má vysoký jas, malé rozmery a výkon je rovnaký alebo dokonca lepší ako u modrých GaN laserov. Vďaka schopnosti vytvárať polia nanodrôtov s vysokou hustotou môžu ZnO nanolasery nájsť mnoho aplikácií, ktoré nie sú možné s dnešnými zariadeniami GaAs. Na pestovanie takýchto laserov sa ZnO nanodrôt syntetizuje metódou transportu plynu, ktorá katalyzuje epitaxný rast kryštálov. Zafírový substrát sa najprv potiahne vrstvou zlatého filmu s hrúbkou 1 nm až 3,5 nm a potom sa umiestni na aluminovú loďku. Materiál a substrát sa v prúde amoniaku zahrejú na 880 °C až 905 °C, čím sa vytvorí Zn para, a potom sa Zn para transportuje na substrát. Počas rastového procesu trvajúceho 2 minúty až 10 minút sa vytvorili nanodrôty s rozmermi 2 μm až 10 μm a šesťuholníkovým prierezom. Výskumníci zistili, že ZnO nanodrôt tvorí prirodzenú laserovú dutinu s priemerom 20 nm až 150 nm a väčšina (95 %) jeho priemeru je 70 nm až 100 nm. Na štúdium stimulovanej emisie nanodrôtov výskumníci opticky pumpovali vzorku v skleníku štvrtou harmonickou frekvenciou Nd:YAG laseru (vlnová dĺžka 266 nm, šírka impulzu 3 ns). Počas vývoja emisného spektra sa svetlo so zvyšujúcim sa výkonom pumpovania zmierňuje. Keď laserové žiarenie prekročí prahovú hodnotu ZnO nanodrôtu (približne 40 kW/cm), v emisnom spektre sa objaví najvyšší bod. Šírka čiary týchto najvyšších bodov je menšia ako 0,3 nm, čo je o viac ako 1/50 menej ako šírka čiary od emisného vrcholu pod prahovou hodnotou. Tieto úzke šírky čiar a rýchly nárast intenzity emisie viedli výskumníkov k záveru, že v týchto nanodrôtoch skutočne dochádza k stimulovanej emisii. Toto pole nanodrôtov preto môže pôsobiť ako prirodzený rezonátor a stať sa ideálnym zdrojom mikrolaserov. Výskumníci sa domnievajú, že tento nanolaser s krátkou vlnovou dĺžkou sa dá použiť v oblastiach optických výpočtov, ukladania informácií a nanoanalyzátorov.
3. Kvantové jamové lasery
Pred rokom 2010 a po ňom dosiahne šírka čiary vyleptanej na polovodičovom čipe 100 nm alebo menej a v obvode sa bude pohybovať len niekoľko elektrónov, pričom zvýšenie a zníženie počtu elektrónov bude mať veľký vplyv na činnosť obvodu. Na vyriešenie tohto problému sa zrodili kvantovo-jamové lasery. V kvantovej mechanike sa potenciálové pole, ktoré obmedzuje pohyb elektrónov a kvantizuje ich, nazýva kvantová jama. Toto kvantové obmedzenie sa používa na vytváranie kvantových energetických hladín v aktívnej vrstve polovodičového laseru, takže elektronický prechod medzi energetickými hladinami dominuje excitovanému žiareniu laseru, čo je kvantovo-jamový laser. Existujú dva typy kvantovo-jamových laserov: kvantové čiarové lasery a kvantovo-bodové lasery.
① Kvantový čiarový laser
Vedci vyvinuli kvantové drôtové lasery, ktoré sú 1 000-krát výkonnejšie ako tradičné lasery, čím urobili veľký krok k vytvoreniu rýchlejších počítačov a komunikačných zariadení. Laser, ktorý dokáže zvýšiť rýchlosť zvuku, videa, internetu a iných foriem komunikácie cez optické siete, vyvinuli vedci z Yale University, Lucent Technologies Bell LABS v New Jersey a Max Planck Institute for Physics v Drážďanoch v Nemecku. Tieto lasery s vyšším výkonom by znížili potrebu drahých opakovačov, ktoré sú inštalované každých 80 km pozdĺž komunikačnej linky a opäť produkujú laserové impulzy, ktoré sú pri prechode cez vlákno menej intenzívne (opakovače).
Čas uverejnenia: 15. júna 2023