Nanolaser je vrsta mikro in nano naprave, ki je izdelana iz nanomaterialov, kot je nanožica kot resonator, in lahko oddaja lasersko svetlobo pri fotoekscitaciji ali električnem vzbujanju. Velikost tega laserja je pogosto le nekaj sto mikronov ali celo deset mikronov, premer pa je do nanometra, kar je pomemben del prihodnjih tankoplastnih zaslonov, integrirane optike in drugih področij.
Klasifikacija nanolaserja:
1. Nanožični laser
Leta 2001 so raziskovalci na Univerzi v Kaliforniji v Berkeleyju v Združenih državah Amerike ustvarili najmanjši laser na svetu – nanolaserje – na nanooptični žici, ki je dolga le tisočinko človeškega lasu. Ta laser ne oddaja le ultravijoličnih laserjev, temveč ga je mogoče nastaviti tudi za oddajanje laserjev od modre do globokega ultravijoličnega sevanja. Raziskovalci so za ustvarjanje laserja iz čistih kristalov cinkovega oksida uporabili standardno tehniko, imenovano usmerjena epifitacija. Najprej so »kultivirali« nanožice, torej so bile oblikovane na zlati plasti s premerom od 20 nm do 150 nm in dolžino 10.000 nm čistih žic cinkovega oksida. Nato so raziskovalci, ko so aktivirali kristale čistega cinkovega oksida v nanožicah z drugim laserjem pod rastlinjakom, čisti kristali cinkovega oksida oddajali laser z valovno dolžino le 17 nm. Takšni nanolaserji bi se sčasoma lahko uporabili za identifikacijo kemikalij in izboljšanje zmogljivosti shranjevanja informacij na računalniških diskih in fotonskih računalnikih.
2. Ultravijolični nanolaser
Po pojavu mikrolaserjev, mikrodiskovnih laserjev, mikro obročnih laserjev in kvantnih lavinskih laserjev sta kemik Yang Peidong in njegovi kolegi na Univerzi v Kaliforniji v Berkeleyju izdelala nanolaserje pri sobni temperaturi. Ta cinkov oksidni nanolaser lahko pri vzbujanju svetlobe oddaja laser s širino črte manj kot 0,3 nm in valovno dolžino 385 nm, kar velja za najmanjši laser na svetu in eno prvih praktičnih naprav, izdelanih z uporabo nanotehnologije. V začetni fazi razvoja so raziskovalci napovedali, da je ta ZnO nanolaser enostaven za izdelavo, ima visoko svetlost, majhno velikost in zmogljivost, ki je enaka ali celo boljša od GaN modrih laserjev. Zaradi zmožnosti izdelave nizov nanožic visoke gostote lahko ZnO nanolaserji najdejo številne aplikacije, ki jih današnje naprave GaAs ne morejo. Za gojenje takšnih laserjev se ZnO nanožica sintetizira z metodo transporta plina, ki katalizira epitaksialno rast kristalov. Najprej se safirni substrat prevleče s plastjo zlatega filma debeline 1 nm~3,5 nm, nato pa se položi na aluminijevo ladjico, kjer se material in substrat v toku amoniaka segrejeta na 880 °C~905 °C, da se ustvari Zn para, nato pa se Zn para prenese na substrat. V procesu rasti, ki je trajal 2 min~10 min, so nastale nanožice velikosti 2 μm~10 μm s heksagonalnim prečnim prerezom. Raziskovalci so ugotovili, da ZnO nanožica tvori naravno lasersko votlino s premerom od 20 nm do 150 nm, večina (95 %) njenega premera pa je od 70 nm do 100 nm. Za preučevanje stimulirane emisije nanožic so raziskovalci vzorec optično črpali v rastlinjaku s četrtim harmonikom Nd:YAG laserja (valovna dolžina 266 nm, širina impulza 3 ns). Med razvojem emisijskega spektra se svetloba z naraščanjem moči črpanja zmanjšuje. Ko lasersko sevanje preseže prag ZnO nanožice (približno 40 kW/cm), se v emisijskem spektru pojavi najvišja točka. Širina črte teh najvišjih točk je manjša od 0,3 nm, kar je za več kot 1/50 manj od širine črte od emisijskega vrha pod pragom. Zaradi teh ozkih širin črt in hitrega naraščanja intenzivnosti emisije so raziskovalci sklepali, da v teh nanožicah dejansko pride do stimulirane emisije. Zato lahko ta matrika nanožic deluje kot naravni resonator in tako postane idealen vir mikrolaserja. Raziskovalci verjamejo, da se lahko ta kratkovalovna nanolaser uporablja na področju optičnega računalništva, shranjevanja informacij in nanoanalizatorjev.
3. Kvantni laserji
Pred in po letu 2010 bo širina črte, vgravirane na polprevodniški čip, dosegla 100 nm ali manj, v vezju pa se bo gibalo le nekaj elektronov, povečanje in zmanjšanje števila elektronov pa bo imelo velik vpliv na delovanje vezja. Za rešitev tega problema so se rodili kvantni laserji. V kvantni mehaniki se potencialno polje, ki omejuje gibanje elektronov in jih kvantizira, imenuje kvantna jama. Ta kvantna omejitev se uporablja za oblikovanje kvantnih energijskih nivojev v aktivni plasti polprevodniškega laserja, tako da elektronski prehod med energijskimi nivoji prevladuje nad vzbujenim sevanjem laserja, ki je kvantni laser. Obstajata dve vrsti kvantnih laserjev: kvantni linijski laserji in kvantni laserji.
① Kvantni linijski laser
Znanstveniki so razvili kvantne žične laserje, ki so 1000-krat močnejši od tradicionalnih laserjev, s čimer so naredili velik korak k ustvarjanju hitrejših računalnikov in komunikacijskih naprav. Laser, ki lahko poveča hitrost zvoka, videa, interneta in drugih oblik komunikacije prek optičnih omrežij, so razvili znanstveniki na Univerzi Yale, v laboratorijih Lucent Technologies Bell LABS v New Jerseyju in Inštitutu Max Planck za fiziko v Dresdnu v Nemčiji. Ti laserji z večjo močjo bi zmanjšali potrebo po dragih repetitorjih, ki so nameščeni vsakih 80 km vzdolž komunikacijske linije in spet proizvajajo laserske impulze, ki so med potovanjem skozi vlakno manj intenzivni (repetitorji).
Čas objave: 15. junij 2023