Ein Nanolaser ist eine Art Mikro- und Nanogerät, das aus Nanomaterialien wie Nanodrähten als Resonator besteht und unter Photoanregung oder elektrischer Anregung Laser emittieren kann. Die Größe dieses Lasers beträgt oft nur Hunderte Mikrometer oder sogar Dutzende Mikrometer, und der Durchmesser reicht bis in die Nanometer-Größenordnung, was ein wichtiger Bestandteil zukünftiger Dünnschichtdisplays, integrierter Optik und anderer Bereiche ist.
Klassifizierung von Nanolasern:
1. Nanodrahtlaser
Im Jahr 2001 entwickelten Forscher der University of California in Berkeley in den USA den kleinsten Laser der Welt – Nanolaser – auf einem nanooptischen Draht, der nur ein Tausendstel der Länge eines menschlichen Haares hatte. Dieser Laser emittiert nicht nur ultraviolette Laser, sondern kann auch so eingestellt werden, dass er Laser im blauen bis tiefen Ultraviolettbereich emittiert. Die Forscher verwendeten eine Standardtechnik namens orientierte Epiphytation, um den Laser aus reinen Zinkoxidkristallen zu erzeugen. Sie „züchteten“ zunächst Nanodrähte, das heißt, es bildeten auf einer Goldschicht reine Zinkoxiddrähte mit einem Durchmesser von 20 nm bis 150 nm und einer Länge von 10.000 nm. Als die Forscher dann die reinen Zinkoxidkristalle in den Nanodrähten mit einem anderen Laser unter dem Gewächshaus aktivierten, emittierten die reinen Zinkoxidkristalle einen Laser mit einer Wellenlänge von nur 17 nm. Solche Nanolaser könnten schließlich zur Identifizierung von Chemikalien und zur Verbesserung der Informationsspeicherkapazität von Computerfestplatten und photonischen Computern eingesetzt werden.
2. Ultravioletter Nanolaser
Nach dem Aufkommen von Mikrolasern, Mikroscheibenlasern, Mikroringlasern und Quantenlawinenlasern stellten der Chemiker Yang Peidong und seine Kollegen an der University of California in Berkeley Nanolaser her, die bei Raumtemperatur temperiert wurden. Dieser Zinkoxid-Nanolaser kann unter Lichtanregung einen Laser mit einer Linienbreite von weniger als 0,3 nm und einer Wellenlänge von 385 nm emittieren. Er gilt als der kleinste Laser der Welt und als eines der ersten praktischen Geräte, die mithilfe der Nanotechnologie hergestellt wurden. In der Anfangsphase der Entwicklung gingen die Forscher davon aus, dass dieser ZnO-Nanolaser einfach herzustellen ist, eine hohe Helligkeit aufweist, klein ist und eine gleichwertige oder sogar bessere Leistung als blaue GaN-Laser aufweist. Aufgrund der Fähigkeit, hochdichte Nanodraht-Arrays herzustellen, können ZnO-Nanolaser viele Anwendungen erschließen, die mit heutigen GaAs-Geräten nicht möglich sind. Um solche Laser wachsen zu lassen, wird ZnO-Nanodraht durch ein Gastransportverfahren synthetisiert, das das epitaktische Kristallwachstum katalysiert. Zuerst wird das Saphirsubstrat mit einer Schicht aus 1 nm bis 3,5 nm dickem Goldfilm beschichtet und dann auf ein Aluminiumoxidschiffchen gelegt. Das Material und das Substrat werden zur Herstellung im Ammoniakstrom auf 880 °C bis 905 °C erhitzt Zn-Dampf, und dann wird der Zn-Dampf zum Substrat transportiert. Im Wachstumsprozess von 2 bis 10 Minuten wurden Nanodrähte von 2 μm bis 10 μm mit sechseckiger Querschnittsfläche erzeugt. Die Forscher fanden heraus, dass ZnO-Nanodrähte einen natürlichen Laserhohlraum mit einem Durchmesser von 20 nm bis 150 nm bilden und der größte Teil (95 %) seines Durchmessers 70 nm bis 100 nm beträgt. Um die stimulierte Emission der Nanodrähte zu untersuchen, pumpten die Forscher die Probe in einem Gewächshaus optisch mit der vierten harmonischen Ausgabe eines Nd:YAG-Lasers (266 nm Wellenlänge, 3 ns Pulsbreite). Während der Entwicklung des Emissionsspektrums wird das Licht mit zunehmender Pumpleistung geschwächt. Wenn die Laserstrahlung den Schwellenwert des ZnO-Nanodrahts (ca. 40 kW/cm) überschreitet, erscheint der höchste Punkt im Emissionsspektrum. Die Linienbreite dieser höchsten Punkte beträgt weniger als 0,3 nm, was mehr als 1/50 weniger ist als die Linienbreite vom Emissionsscheitelpunkt unterhalb des Schwellenwerts. Diese schmalen Linienbreiten und der schnelle Anstieg der Emissionsintensität führten die Forscher zu dem Schluss, dass es in diesen Nanodrähten tatsächlich zu stimulierter Emission kommt. Daher kann dieses Nanodraht-Array als natürlicher Resonator fungieren und somit zu einer idealen Mikrolaserquelle werden. Die Forscher glauben, dass dieser kurzwellige Nanolaser in den Bereichen optische Datenverarbeitung, Informationsspeicherung und Nanoanalyse eingesetzt werden kann.
3. Quantentopflaser
Vor und nach 2010 wird die auf dem Halbleiterchip geätzte Linienbreite 100 nm oder weniger erreichen, und es werden sich nur wenige Elektronen im Schaltkreis bewegen, und die Zunahme und Abnahme eines Elektrons wird einen großen Einfluss auf den Betrieb des haben Schaltung. Um dieses Problem zu lösen, wurden Quantentopflaser geboren. In der Quantenmechanik wird ein Potentialfeld, das die Bewegung von Elektronen einschränkt und sie quantisiert, als Quantentopf bezeichnet. Diese Quantenbeschränkung wird genutzt, um Quantenenergieniveaus in der aktiven Schicht des Halbleiterlasers zu bilden, sodass der elektronische Übergang zwischen den Energieniveaus die angeregte Strahlung des Lasers dominiert, bei dem es sich um einen Quantentopflaser handelt. Es gibt zwei Arten von Quantentopflasern: Quantenlinienlaser und Quantenpunktlaser.
① Quantenlinienlaser
Wissenschaftler haben Quantendrahtlaser entwickelt, die tausendmal leistungsstärker sind als herkömmliche Laser und damit einen großen Schritt in Richtung schnellerer Computer und Kommunikationsgeräte gemacht haben. Der Laser, der die Geschwindigkeit von Audio, Video, Internet und anderen Kommunikationsformen über Glasfasernetze erhöhen kann, wurde von Wissenschaftlern der Yale University, Lucent Technologies Bell LABS in New Jersey und dem Max-Planck-Institut für Physik in Dresden entwickelt. Deuschland. Diese Laser mit höherer Leistung würden den Bedarf an teuren Repeatern verringern, die alle 80 km (50 Meilen) entlang der Kommunikationsleitung installiert werden und wiederum Laserimpulse erzeugen, die auf ihrem Weg durch die Faser weniger intensiv sind (Repeater).
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 15. Juni 2023