Lazerler iletişim, tıbbi görüntüleme ve cerrahi, tüketici elektronikleri ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır ve insanların yaşamlarını derinden değiştirmiştir. Son yıllarda, lazerlerin boyutunu daha küçük hale getirmek için bilim adamları, sadece fotonik cihazların minyatürleştirmesini ve entegrasyonunu daha da teşvik etmekle kalmayıp aynı zamanda aşırı koşullar altında ışık ve madde arasındaki etkileşimi incelemek için yeni yollar açan nanolazerler geliştirdiler. Bu makale ışık üretimi ile başlar ve sizi nanolaser dünyasını derinlemesine keşfetmeye götürür.
Bilgi teknolojisi alanında, transistörler ve lazerler iki temel bileşendir. Transistörlerin minyatürleştirilmesi, elektronik yongaların hızlı gelişimini teşvik etti ve tanınmış Moore yasasını ortaya çıkardı - entegre bir devrede barındırılabilecek transistörlerin sayısı her 18 ayda bir iki katına çıkacak. Bu eğilim, en gelişmiş transistörlerin boyutunu nanometre seviyesine itti. Şu anda, 10 milyardan fazla transistör, kamuoyu tarafından kullanılan cep telefonuna ve bilgisayar yongalarına entegre edilebilir, bu cihazlara güçlü bilgi işleme özellikleri verir ve dijital ve akıllı dönemin gelişini teşvik eder. Aynı zamanda, lazerlerin minyatürleştirilmesi fotonik teknolojide bir devrimi tetiklemiştir. Yarım asırdan fazla bir gelişmeden sonra, minyatür yarı iletken lazerler iletişim, veri depolama, tıbbi görüntüleme ve cerrahi, algılama ve ölçüm, tüketici elektroniği, katkı üretimi, ekran ve aydınlatma ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Lazerlerin ölçeklendirilmesi transistörlerden daha zordur, çünkü çok farklı mikroskobik partiküller transistörlerine güvenirler, elektronlara güvenirken, lazerler fotonlara güvenir. Görünür ve kızılötesine yakın bantlarda, foton dalga boyları transistörlerdeki elektronların dalga boylarından üç büyüklükte daha yüksektir. Kırınım sınırına tabi olarak, bu fotonların sıkılabileceği minimum mod hacmi, bir transistördeki elektronlardan daha büyük olan yaklaşık dokuz büyüklük veya bir milyar kez daha büyüktür. Nano ölçekli lazerler yapımındaki temel zorluk, kırınım sınırını nasıl kıracağı ve fotonların hacminin sınıra nasıl "sıkıştırılacağı". Bu sorunun üstesinden gelmek sadece fotonik teknolojinin gelişimini önemli ölçüde teşvik etmekle kalmayacak, aynı zamanda birçok yeni uygulama senaryosuna da yol açacaktır. Elektronlar gibi fotonlar nanometre ölçeğinde esnek bir şekilde manipüle edilebildiğinde, DNA'nın ince yapısını doğrudan gözlemlemek için ışık kullanabileceğimizi ve ayrıca büyük ölçekli optoelektronik entegre çipler oluşturabileceğimizi ve bilgi işleme hızı ve verimliliğinin büyük ölçüde iyileştirilmiş olun.
Son yıllarda, yüzey plazmonları ve tekil nokta ışık alanı lokalizasyon mekanizmaları yoluyla, lazer modu hacmi optik kırınım sınırını aştı ve nano ölçekte girdi, böylece nanolazerlere yol açtı.
1. Bilinmeyenleri keşfetmek için parlak kapıyı açın
Doğada, ışık iki şekilde üretilir: spontan radyasyon ve uyarılmış radyasyon.
Spontan radyasyon harika bir süreçtir. Tam karanlıkta ve herhangi bir harici foton olmasa bile, madde kendi başına ışık yayabilir. Bunun nedeni, boşluğun gerçekten "boş" olmamasıdır. Vakum sıfır noktalı enerji adı verilen küçük enerji dalgalanmalarıyla doldurulur. Vakum sıfır noktalı enerji, heyecanlı maddenin fotonları serbest bırakmasına neden olabilir. Örneğin, bir mum aydınlatmak mum ışığı üretir. İnsan ateşinin kullanımı geçmişi 1 milyon yıl öncesine kadar uzanabilir. Ateş insan atalarına ışık ve sıcaklık getirdi ve medeniyet bölümünü açtı. Alevlerin ve akkor lambaların her ikisi de spontan radyasyon kaynaklarıdır. Elektronları yüksek enerjili bir duruma koymak için yanar veya ısıtırlar ve daha sonra dünyayı aydınlatmak için vakum sıfır noktalı enerjinin etkisi altında fotonları serbest bırakırlar.
Uyarılmış radyasyon, ışık ve madde arasında daha derin bir etkileşim ortaya çıkarır. Harici bir foton heyecanlı bir durumda bir maddeden geçtiğinde, maddeyi, olay fotonuyla tamamen aynı olan yeni bir foton serbest bırakması için tetikler. Bu "kopyalanmış" foton, ışık ışını son derece yönlü ve tutarlı hale getirir, ki bu lazerdir. Lazerin icadı bir asırdan daha kısa bir süre önce olmasına rağmen, hızla kamusal yaşama entegre edildi ve dünyayı sarsan değişiklikler getirdi.
Lazerin icadı, insanlığın bilinmeyenleri keşfetmesi için parlak bir kapı açtı. Bize güçlü araçlar sağlar ve modern medeniyetin gelişimini büyük ölçüde teşvik eder. Bilgi ve iletişim alanında, lazerler yüksek hızlı fiber optik iletişimi gerçeğe dönüştürdü ve küresel ara bağlantıyı mümkün kıldı. Tıbbi bakımda, lazer cerrahisi, hastalara daha güvenli ve daha etkili tedavi yöntemleri sağlayan yüksek hassasiyet ve minimal invazivlik ile karakterizedir. Endüstriyel üretimde, lazer kesme ve kaynak üretim verimliliğini ve ürün hassasiyetini artırarak insanların daha sofistike makine ve ekipmanlar oluşturmalarını sağlar. Bilimsel araştırmalarda, lazerler yerçekimi dalgası tespiti ve kuantum bilgi teknolojisi için temel araçlardır ve bilim adamlarının evrenin gizemlerini ortaya çıkarmasına yardımcı olur.
Günlük yaşamda lazer baskı ve tıbbi güzellikten kontrollü nükleer füzyona, lazer radarı ve en son teknolojide lazer silahlarına kadar lazerler her yerdedir ve dünyanın gelişimi üzerinde derin bir etkiye sahiptir. Sadece yaşam tarzımızı değiştirmekle kalmadı, aynı zamanda insanların doğayı anlama ve dönüştürme yeteneğini de genişletti.
2. Doğayı anlamak ve kullanmak için güçlü araçlar
Planck'ın kara cisim radyasyon yasasından esinlenen Einstein, 1917'de uyarılmış radyasyon kavramını önerdi ve bu keşif lazerlerin icat edilmesi için temel attı. 1954'te Amerikalı bilim adamları kasabaları ve diğerleri ilk önce uyarılmış radyasyon, yani bir mikrodalga maser ile gerçekleştirilen bir mikrodalga osilatör bildirdi. Heyecanlı amonyak moleküllerini kazanma ortamı olarak kullandılar ve geri bildirim sağlamak için yaklaşık 12 cm uzunluğunda bir mikrodalga rezonant boşluğu kullandılar ve yaklaşık 12.56 cm dalga boyuna sahip mikrodalga maserslarını gerçekleştirdiler. Mikrodalga maser, lazerin selefi olarak kabul edilir, ancak lazer daha küçük hacim, daha yüksek yoğunluk ve daha yüksek bilgi taşıma kapasitesi gibi avantajlarla daha yüksek bir frekansta tutarlı radyasyon üretebilir.
1960 yılında Amerikalı bilim adamı Maiman ilk lazeri icat etti. Kazanç ortamı olmadığı kadar yaklaşık 1 cm uzunluğunda bir yakut çubuk kullandı ve çubuğun iki ucu, optik geri bildirim sağlamak için reflektör görevi görecek şekilde gümüş kaplama idi. Bir flaş lambasının uyarılması altında, cihaz 694.3 nanometre dalga boyuna sahip bir lazer çıkışı üretti. Mikrodalga maser boyutunun dalga boyu ile aynı büyüklükte olduğunu belirtmek gerekir. Bu orantılı ilişkiye göre, lazerin boyutu yaklaşık 700 nanometre olmalıdır. Bununla birlikte, ilk lazerin boyutu, 4'ten fazla büyüklük sırasıyla bundan çok daha büyüktü. Lazerin dalga boyu ile karşılaştırılabilir bir boyuta küçülmesi yaklaşık 30 yıl sürdü ve dalga boyu sınırını kırmak ve derin alt dalga boyu lazerleri gerçekleştirmek yarım yüzyıl sürdü.
Sıradan ışık kaynakları ile karşılaştırıldığında, mikrodalga masers ve lazerlerin radyasyon enerjisi çok dar bir frekans aralığında yoğunlaşır. Bu nedenle, bu iki icat, uyarılmış radyasyon yoluyla frekans boşluğunda elektromanyetik dalgaların lokalize edilmesi olarak kabul edilebilir. Uyarılmış radyasyon, zaman, momentum ve boşluk boyutlarında elektromanyetik dalgaları lokalize etmek için de kullanılabilir. Elektromanyetik dalgaları bu boyutlardaki lokalize ederek, lazer ışık kaynakları son derece kararlı frekans salınımları, ultra kısa darbeler, yüksek yönlülük ve son derece küçük mod hacimleri elde edebilir, bu da süreyi doğru bir şekilde ölçmemizi, hızlı hareketi izlememizi, bilgi ve enerjiyi uzun mesafeler üzerinde iletmemizi sağlar. , cihaz minyatürleştirme sağlayın ve daha yüksek görüntüleme çözünürlüğü elde edin.
Lazerlerin ortaya çıkmasından bu yana, insanlar sürekli olarak ışık alanlarının frekans, zaman, momentum ve alan gibi boyutlardaki daha güçlü lokalizasyonunu sürdürüyor, lazer fizik araştırması ve lazer cihazlarının hızlı gelişimini teşvik ediyor, lazerleri doğayı anlamak ve kullanmak için güçlü bir araç haline getiriyorlar. .
Frekans boyutunda, yüksek kaliteli boşluk, geri bildirim kontrolü ve çevresel izolasyon yoluyla, lazerler son derece stabil sıklıkları koruyabilir, Bose-Einstein Yoğuşması (2001 Fizikte Nobel Ödülü), hassas lazer spektroskopisi gibi birçok önemli bilimsel araştırmada atılımları teşvik edebilir ( 2005 Fizik Nobel Ödülü) ve Yerçekimi Dalgası Tespiti (2017 Nobel Fizik Ödülü).
Zaman boyutunda, mod kilitleme teknolojisi ve yüksek dereceli harmonik nesil teknolojisi, ultrashort lazer darbelerini gerçeğe dönüştürür. Aşırı zaman lokalizasyonu yoluyla, Attosecond lazerler sadece bir optik döngü süren ışık darbeleri üretebilir. Bu atılım, elektronların atomların iç tabakasındaki hareketi gibi ultra hızlı süreçleri gözlemlemeyi mümkün kılar ve 2023 Nobel Fizik Ödülü'nü kazanır.
Momentum boyutunda, büyük alanlı tek modlu lazerlerin geliştirilmesi, ışık alanının momentum boşluğunda yüksek derecede lokalizasyonunu elde etmiştir, bu da lazer ışını oldukça yönlü hale getirmiştir. Ortaya çıkan yüksek oranda toplanmış lazerin ultra uzun mesafeli yıldızlararası yüksek hızlı optik iletişimin gelişimini desteklemesi beklenmektedir.
Mekansal boyutta, yüzey plazmonlarının ve tekillik ışık alanı lokalizasyon mekanizmalarının tanıtımı, lazer modu hacminin optik kırınım sınırını kırmasına ve (λ/2n) 3'ten daha düşük bir ölçeğe ulaşmasına izin verir (burada λ, serbest boşluk ışığının dalga boyudur ve n, malzemenin kırılma indisidir), böylece nanolazerleri doğurur. Nanolaserlerin ortaya çıkışı, bilgi teknolojisini yenilik yapmak ve aşırı koşullar altında ışık ve madde arasındaki etkileşimi incelemek için geniş kapsamlı bir öneme sahiptir.
3. Optik kırınım sınırını kırmak
Lazerin icat edilmesinden 30 yıldan fazla bir süre sonra, mikro-işleme teknolojisinin ilerlemesi ve lazer fizik araştırması ve lazer cihazlarının daha derin bir anlayışıyla, mikro-disk lazerler de dahil olmak üzere çeşitli mikro-semik iletken lazerler geliştirilmiştir. , fotonik kristal defekt lazerleri ve nanotel lazerler. 1992'de, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Bell Laboratuvarları, ışığın mikro diske tekrar tekrar yansıtmasına, rezonant geri bildirim üretmesini ve lazing elde etmesi için mikro diskteki fısıltılı galeri modunu kullanarak ilk mikro diskli lazeri başarıyla gerçekleştirdi. 1999 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki California Teknoloji Enstitüsü, ışığı kısıtlamak için iki boyutlu fotonik kristallere nokta kusurları getirerek ilk fotonik kristal defekt lazerini fark etti. 2001 yılında, Berkeley California Üniversitesi, yarı iletken nanotel lazerleri ilk kez bir nanotelin son yüzünü bir reflektör olarak kullanarak başarıyla gerçekleştirdi. Bu lazerler özellik boyutunu tek bir vakum dalga boyunun sırasına indirir, ancak optik kırınım sınırının sınırlamaları nedeniyle, dielektrik rezonatörlere dayanan bu lazerlerin daha da küçülmesi zordur.
Geometride, sağ üçgenin sağ açılı tarafının uzunluğu, hipotenüsün uzunluğundan daha azdır. Mikroskobik bir ölçekte, kırınım sınırını kırmak için, iki sağ açılı tarafın uzunluğunun hipotenüsden daha büyük olması gerekir. 2009 yılında, dünyadaki üç ekip önce optik kırınım sınırını kıran plazmonik nanolazerleri fark etti. Bunlar arasında, California Üniversitesi, Berkeley ve Peking Üniversitesi ekibi, tek boyutlu yarı iletken nanotel-insülatör-metal yapısına dayanan bir plazmonik nanolazer fark etti; Hollanda'daki Eindhoven Teknoloji Üniversitesi ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Arizona Eyalet Üniversitesi ekibi, metal-semik-iletken-metal üç katmanlı düz plaka yapısına dayanan bir plazmonik nanolazer geliştirdi; Norfolk Eyalet Üniversitesi ve Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Purdue Üniversitesi ekibi, lokal yüzey plazmon rezonansına dayanan metal çekirdek gömülü kazanç orta kabuğuna dayanan bir çekirdek kabuk yapısı plazmonik nanolazeri gösterdi.
Başka bir deyişle, dispersiyon denklemine hayali birimler ekleyerek, bilim adamları aslında hipotenüsden daha uzun sağ açılı bir tarafa sahip özel bir üçgen inşa ettiler. Fiziksel olarak daha güçlü ışık alan lokalizasyonu elde etmemizi sağlayan bu özel üçgendir.
10 yılı aşkın bir gelişmeden sonra, plazmon nanolazerler son derece küçük mod hacmi, ultrafast modülasyon hızı ve düşük enerji tüketimi gibi mükemmel özellikler göstermiştir. Bununla birlikte, dielektrik malzemelerle karşılaştırıldığında, plazmon etkisi, daha güçlü ışık alanı lokalizasyonu elde etmek için metallerde serbest elektronların kolektif salınımıyla ışık alanını birleştirmesine rağmen, bu bağlantı aynı zamanda doğal ohmik kayıplara yol açar, bu da cihaz gücü artırır. tüketim ve tutarlılık süresini sınırlar.
2024'te Peking Üniversitesi ekibi, tüm dielektrik yay-kravat nanoantennanın dağılım özelliklerini ortaya çıkaran yeni bir tekillik dağılım denklemi önerdi. Bow-Tie nanoantenna'yı Peking Üniversitesi ekibi tarafından önerilen köşe nanokavity yapısına yerleştirerek, optik kırınım sınırını kıran tekillik dielektrik nanolazeri bir dielektrik sistemde ilk kez gerçekleştirildi. Bu yapısal tasarım, ışık alanının uç noktaya sıkıştırılmasını sağlar ve teorik olarak optik kırınım sınırından çok daha küçük olan sonsuz küçük mod hacmine ulaşabilir. Buna ek olarak, köşe nanokavuzunun sofistike yapısı, ışık alanının depolama kapasitesini daha da arttırır, tekillik nanolazerine ultra yüksek kalite faktörü ve optik boşluk kalite faktörü (yani, optik boşlukta depolanan enerjinin oranı döngü başına kaybedilen enerjiye) 1 milyonu aşabilir.
Peking Üniversitesi ekibi ayrıca nanolaserlere dayalı optik frekans aşamalı dizi teknolojisini geliştirdi. Lazer dizisindeki her nanolazerin lazer dalga boyunu ve fazını tam olarak kontrol ederek dizilmiş tutarlı lazing teknolojisinin güçlü potansiyelini başarıyla gösterdiler. Örneğin, ekip bu teknolojiyi "P", "K", "U", "Çin" ve "Çin" gibi desenlerde optik frekans dizisi tutarlı lazing elde etmek için kullandı ve entegre fotonik alanlarında geniş uygulama beklentilerini gösteriyor , mikro-nano ışık kaynağı dizileri ve optik iletişim. (Yazar: Ma Renmin, Fizik Okulu Profesörü, Peking Üniversitesi)
