Лазерите се използват широко в комуникациите, медицинските изображения и хирургията, потребителската електроника и други области и дълбоко промениха живота на хората. През последните години, за да направят размера на лазерите по -малък, учените са разработили нанолазери, които не само допълнително насърчават миниатюризацията и интегрирането на фотонните устройства, но и отварят нови пътища за изучаване на взаимодействието между светлината и материята при екстремни условия. Тази статия започва с генерирането на светлина и ви отвежда да изследвате в дълбочина света на нанолазерите.
В областта на информационните технологии транзисторите и лазерите са два основни компонента. Миниатюризацията на транзисторите насърчи бързото развитие на електронните чипове и породи добре известния закон на Мур - броят на транзисторите, които могат да бъдат настанени в интегрирана верига, ще се удвоява на всеки 18 месеца или повече. Тази тенденция изтласка размера на най -модерните транзистори до нивото на нанометъра. Понастоящем повече от 10 милиарда транзистори могат да бъдат интегрирани в мобилните и компютърните чипове, използвани от обществеността, като предоставят на тези устройства мощни възможности за обработка на информация и насърчаване на пристигането на цифровата и интелигентната ера. В същото време миниатюризацията на лазерите предизвика революция във фотонните технологии. След повече от половин век разработка, миниатюрните полупроводникови лазери са широко използвани в комуникациите, съхранението на данни, медицинското изображение и хирургията, сензорните и измерването, потребителската електроника, производството на добавки, дисплея и осветлението и други полета.
Мащабирането на лазери е по-трудно от транзисторите, тъй като разчитат на много различни микроскопични частици-транзистори разчитат на електрони, докато лазерите разчитат на фотони. Във видимите и близките инфрачервени ленти дължините на вълните на фотоните са три порядъка по-високи от дължините на вълните на електрони в транзисторите. При спазване на дифракционната граница, минималният обем на режима, в който тези фотони могат да бъдат изцедени, е около девет порядъка или милиард пъти, по -голям от този на електроните в транзистор. Основното предизвикателство при изграждането на наноразмерни лазери е как да пробием през дифракционната граница и да „компресираме“ обема на фотоните до краен граница. Преодоляването на този проблем не само ще насърчи значително развитието на фотонните технологии, но също така ще породи много нови сценарии за приложение. Представете си, че когато фотоните, подобно на електроните, могат да бъдат гъвкаво манипулирани в нанометровата скала, можем да използваме светлина, за да наблюдаваме директно фината структура на ДНК, а също така можем да създадем мащабно оптоелектронни интегрирани чипове, а скоростта и ефективността на обработката на информация ще стане ще бъде да бъдат значително подобрени.
През последните години, чрез повърхностни плазмони и механизми за локализиране на светлинното поле, обемът на лазерния режим надвишава границата на оптичната дифракция и влезе в наноразмер, като по този начин поражда нанолазери.
1. Отворете ярката врата, за да разгледате неизвестното
В природата светлината се генерира по два начина: спонтанно излъчване и стимулирано излъчване.
Спонтанното лъчение е прекрасен процес. Дори в пълна тъмнина и без никакви външни фотони, материята може да излъчва светлина самостоятелно. Това е така, защото вакуумът не е наистина „празен“. Той е изпълнен с малки колебания на енергията, наречен вакуумна енергия с нулева точка. Вакуумната енергия с нулева точка може да доведе до развълнувана материя за освобождаване на фотони. Например, запалването на свещ произвежда светлина на свещи. Историята на човешката употреба на огън може да бъде проследена до преди повече от 1 милион години. Огънят донесе светлина и топлина на човешките предци и отвори главата на цивилизацията. Пламъците и нажежаемите лампи са едновременно спонтанни радиационни източници. Те изгарят или загряват, за да поставят електрони в високоенергийно състояние и след това да отделят фотони под действието на вакуумна енергия с нулева точка за осветяване на света.
Стимулираната радиация разкрива по -дълбоко взаимодействие между светлината и материята. Когато външен фотон премине през вещество във възбудено състояние, той задейства веществото да освободи нов фотон, който е абсолютно същият като инцидентния фотон. Този „копиран“ фотон прави светлинния лъч силно насочен и последователен, който е лазерът, с който сме запознати. Въпреки че изобретяването на лазера е преди по-малко от век, то бързо е интегрирано в обществения живот, което води до разтърсване на земята.
Изобретението на лазера отвори ярка врата за човечеството да изследва неизвестното. Той ни предоставя мощни инструменти и значително насърчава развитието на съвременната цивилизация. В областта на информацията и комуникацията лазерите превърнаха високоскоростните фибри-оптични комуникации в реалност и направиха възможно глобалната взаимовръзка. В медицинската помощ лазерната операция се характеризира с висока точност и минимална инвазивност, осигурявайки на пациентите по -безопасни и по -ефективни методи на лечение. В индустриалното производство лазерното рязане и заваряване подобряват ефективността на производството и прецизността на продукта, което позволява на хората да създават по -сложни машини и оборудване. В научните изследвания лазерите са ключови инструменти за откриване на гравитационни вълни и квантови информационни технологии, като помагат на учените да разкрият мистериите на Вселената.
От лазерния печат и медицинската красота в ежедневието до контролираното ядрено синтез, лазерните радари и лазерните оръжия в авангардна технология, лазерите са навсякъде и оказват дълбоко влияние върху развитието на света. Той не само промени начина ни на живот, но и разшири способността на човешките същества да разбират и трансформират природата.
2. Мощни инструменти за разбиране и използване на природата
Вдъхновен от закона за радиация на Черно тяло на Планк, Айнщайн предложи концепцията за стимулирано излъчване през 1917 г. и това откритие постави основата на изобретяването на лазерите. През 1954 г. американските учени градовете и други за първи път съобщават за микровълнов осцилатор, реализиран чрез стимулирана радиация, а именно микровълнов мазер. Те използваха развълнувани молекули на амоняк като натрупване на среда и използваха микровълнова резонансна кухина с дължина около 12 см, за да осигурят обратна връзка, реализирайки микровълновите маси с дължина на вълната от около 12,56 см. Микровълновият мазер се счита за предшественик на лазера, но лазерът може да произвежда кохерентно излъчване при по -висока честота, с предимства като по -малък обем, по -висока интензивност и по -висок капацитет за носене на информация.
През 1960 г. американският учен Майман изобретява първия лазер. Той използва рубинен пръчка с около 1 см, когато е усилващата среда, а двата края на пръта бяха сребърни, за да действат като отражатели, за да предоставят оптична обратна връзка. При възбуждане на флаш лампа устройството произвежда лазерен изход с дължина на вълната 694.3 нанометра. Струва си да се отбележи, че размерът на микровълновата мазер е в същия порядък като дължината на вълната му. Според тази пропорционална връзка размерът на лазера трябва да бъде около 700 нанометра. Размерът на първия лазер обаче беше много по -голям от този, с повече от 4 порядъка. Отне около 30 години, за да се свие лазера до размер, съпоставим с дължината на вълната, и отне половин век, за да се пробие през границата на дължината на вълната и да реализира дълбоки лазери с дължина на подволно.
В сравнение с обикновените източници на светлина, радиационната енергия на микровълновите мазери и лазерите е концентрирана в много тесен честотен диапазон. Следователно, тези две изобретения могат да се разглеждат като локализиране на електромагнитни вълни в честотно пространство чрез стимулирано излъчване. Стимулираното лъчение може да се използва и за локализиране на електромагнитните вълни във времето, инерцията и размерите на пространството. Чрез локализиране на електромагнитните вълни в тези размери, източниците на лазерна светлина могат да постигнат изключително стабилни честотни трептения, ултра-къси импулси, висока посока и изключително малки обеми на режим, което ни позволява точно да измерваме времето, да наблюдаваме бързо движение, предаване на информация и енергия на дълги разстояния , Постигнете миниатюризация на устройството и получете по -висока разделителна способност на изображения.
След появата на лазери хората непрекъснато преследват по -силна локализация на светлинни полета в размери като честота, време, инерция и пространство, насърчавайки бързото развитие на изследванията на лазерната физика и лазерните устройства, което прави лазерите мощен инструмент за разбиране и използване на природата .
В честотното измерение, чрез висококачествена кухина, контрол на обратната връзка и изолация на околната среда, лазерите могат да поддържат изключително стабилни честоти, като насърчават пробивите в много големи научни изследвания, като Bose-Einstein Condensation (2001 Нобелова награда по физика), прецизна лазерна спектроскопия ( 2005 Нобелова награда по физика) и откриване на гравитационни вълни (2017 Нобелова награда по физика).
Във времето, технологията за заключване на режим и технологията за хармонично генериране от висок ред правят ултракортните лазерни импулси реалност. Чрез екстремно локализация на времето, атосекундните лазери могат да произвеждат леки импулси, които продължават само около един оптичен цикъл. Този пробив дава възможност да се наблюдават ултрабързи процеси като движението на електрони във вътрешния слой на атомите и спечели Нобеловата награда по физика през 2023 г.
В измерението на импулса разработването на лазери с едноредова площ е постигнала висока степен на локализация на светлиното поле в пространството на импулса, което прави лазерния лъч силно насочен. Очаква се полученият силно колимиран лазер да насърчи развитието на ултра-дълги разстояния междузвездни високоскоростни оптични комуникации.
В пространственото измерение въвеждането на повърхностни плазмони и механизми за локализиране на светлинно полето позволява на обема на лазерния режим да пробие оптичната дифракционна граница и да достигне скала, по -малка от (λ/2n) 3 (където λ е дължината на вълната на свободното пространство светлина и n е показателите на пречупване на материала), като по този начин раждането на нанолазери. Появата на нанолазери има далечно значение за иновацията на информационните технологии и изучаването на взаимодействието между светлината и материята при екстремни условия.
3. Разрушаване на границата на оптичната дифракция
Повече от 30 години след изобретяването на лазера, с развитието на технологията за микро-обработване и по-задълбочено разбиране на лазерните изследвания на физиката и лазерните устройства са разработени различни видове микросемиконсководни лазери една след друга, включително микро-диск лазери , Фотонни кристални дефектни лазери и лазери на нанопровод. През 1992 г. Bell Laboratories в Съединените щати успешно реализира първия лазер за микродиск, използвайки режима на галерия Whispering в микродиск, за да позволи на светлината да се отразява многократно в микродиск, да генерира резонансна обратна връзка и да постигне ласиране. През 1999 г. Калифорнийският технологичен институт в Съединените щати реализира първия лазер за дефект на фотонните кристали, като въведе дефекти на точките в двумерни фотонни кристали за ограничаване на светлината. През 2001 г. Калифорнийският университет, Бъркли, успешно реализира полупроводниковите лазери на Nanowire за първи път, използвайки крайното лице на Nanowire като рефлектор. Тези лазери намаляват размера на характеристиките до порядъка на една дължина на вакуумната вълна, но поради ограниченията на оптичната дифракционна граница, тези лазери въз основа на диелектрични резонатори са трудни за допълнително свиване.
В геометрията дължината на десната страна на десния триъгълник е по-малка от дължината на хипотенузата. В микроскопична скала, за да се прекъсне границата на дифракцията, дължината на двете дясно ъгъл трябва да бъде по-голяма от хипотенузата. През 2009 г. три отбора в света за първи път реализираха плазмонични нанолози, които пробиха границата на оптичната дифракция. Сред тях екипът на Калифорнийския университет, Бъркли и Пекинският университет осъзнаха плазмоничен нанолазер, базиран на едномерна полупроводника нанопроводник-изолатор-метална структура; Екипът на Технологичния университет в Нидерландия и Държавния университет в Аризона в Съединените щати разработи плазмоничен нанолазер, базиран на метало-семиово-метъл-метална плоска структура на плоската плоча; Екипът на държавния университет в Норфолк и университета в Пърдю в Съединените щати демонстрира плазмоничен нанолазер на основата на черупките на основата, базирана на метална обвързана с основна среда, базирана на локализиран повърхностен плазмонов резонанс.
С други думи, чрез въвеждане на въображаеми единици в уравнението на дисперсия, учените всъщност конструират специален триъгълник с дясна ъгъл, по-дълъг от хипотенузата. Именно този специален триъгълник ни позволява физически да постигнем по -силна локализация на лекото поле.
След повече от 10 години развитие, плазмонните нанолазери демонстрират отлични характеристики като изключително малък обем на режим, ултрабърза скорост на модулация и ниска консумация на енергия. Въпреки това, в сравнение с диелектричните материали, въпреки че плазмоният ефект свързва светлиното поле с колективното трептене на свободните електрони в металите, за да постигне по -силна локализация на светлината, това свързване също въвежда присъщи омични загуби, което води до генериране на топлина, което от своя страна увеличава мощността на устройството потребление и ограничава времето си за съгласуваност.
През 2024 г. екипът на университета в Пекин предложи ново уравнение на дисперсия на сингулярността, разкривайки дисперсионните характеристики на всички диелектрични наноантични връзки. Чрез вграждането на наноантната на ной-вратовръзката в ъгловата структура на нанокавитата, предложена от екипа на университета в Пекин, диелектричният нанолазер, който нарушава границата на оптичната дифракция, беше реализиран в диелектрична система за първи път. Този структурен дизайн позволява лекото поле да бъде компресирано до крайност и теоретично може да достигне безкрайно малък обем на режим, който е много по -малък от оптичната граница на дифракция. В допълнение, сложната структура на ъгловата нанокавиция допълнително засилва капацитета за съхранение на светлинното поле, придавайки на нанолазера на сингулярността на ултра-висок фактор за качество и нейния коефициент на качество на оптичната кухина (т.е. съотношението на енергията, съхранявана в оптичната кухина За загубената енергия на цикъл) може да надвиши 1 милион.
Екипът на университета в Пекин допълнително разработи технологията за фазирана масива на оптичната честота, базирана на нанолазери. Те успешно демонстрираха мощния потенциал на кохерентната лазерна технология, като прецизно контролират лазерната дължина на вълната и фазата на всеки нанолазер в лазерния масив. Например, екипът използва тази технология за постигане на оптична честотна масивна кохерентно лазинг в модели като "P", "K", "U", "China" и "China", демонстрирайки своите широки перспективи за приложение в областта на интегрираната фотоника , Micro-Nano Light Source Arrays и оптични комуникации. (Автор: Ma Renmin, професор по физика по физика, Пекински университет)
