Lasereid kasutatakse laialdaselt kommunikatsioonis, meditsiinilises pildistamises ja kirurgias, tarbeelektroonikas ja muudes valdkondades ning nad on sügavalt muutnud inimeste elu. Viimastel aastatel on laserite suuruseks väiksemaks muutmiseks välja töötatud nanolaaserid, mis mitte ainult ei soodusta enam mitte ainult fotooniliste seadmete miniaturiseerimist ja integreerimist, vaid avavad ka uusi teid valguse ja aine vahelise interaktsiooni uurimiseks äärmuslikes tingimustes. See artikkel algab valguse genereerimisega ja viib teid põhjalikult uurima nanolaserte maailma.
Infotehnoloogia valdkonnas on transistorid ja laserid kaks põhikomponenti. Transistoride miniaturiseerimine on edendanud elektrooniliste kiipide kiiret arengut ja tekitanud tuntud Moore'i seadust - transistoride arv, mida saab integreeritud vooluringile mahutada, kahekordistub umbes iga 18 kuu tagant. See suundumus on lükanud kõige arenenumate transistoride suuruse nanomeetri tasemele. Praegu saab avalikkuse kasutatavasse mobiiltelefoni ja arvutikiipidesse integreerida enam kui 10 miljardit transistori, andes neile seadmetele võimsaid teabe töötlemise võimalusi ning edendades digitaalse ja intelligentse ajastu saabumist. Samal ajal on laserite miniaturiseerimine käivitanud revolutsiooni fotoontehnoloogias. Pärast enam kui poole sajandi pikkust arengut on miniatuurseid pooljuhtide lasereid laialdaselt kasutatud kommunikatsiooni, andmete salvestamise, meditsiinilise pildistamise ja kirurgia, anduri ja mõõtmise, tarbeelektroonika, lisaainete tootmise, väljapanekute ja valgustuse ning muude põldude osas.
Laserid on keerukamad kui transistorid, kuna nad tuginevad väga erinevatele mikroskoopilistele osakestele-transistoritel elektronidele, samal ajal kui laserid sõltuvad footonitest. Nähtavates ja lähedastes ribades on footoni lainepikkused kolm suurusjärku suurem kui transistorides elektronide lainepikkused. Difraktsiooni piiri korral on minimaalse režiimi maht, millesse neid footonit saab pigistada, umbes üheksa suurusjärku ehk miljard korda, suurem kui transistoris olevad elektronid. Nanomõõtmeliste laserite ehitamisel on põhiline väljakutse, kuidas läbida difraktsiooni piirmäär ja "tihendada" footonite maht piirini. Selle probleemi ületamine ei edenda mitte ainult märkimisväärselt fotoonilise tehnoloogia arengut, vaid annab ka paljudele uutele rakendusstsenaariumidele. Kujutage ette, et kui footoneid, nagu ka elektrone, saab nanomeetri skaalal paindlikult manipuleerida, saame valgust kasutada DNA peene struktuuri otseseks jälgimiseks ja saame ka luua suuremahulisi optoelektroonilisi integreeritud kiipe ning teabe töötlemise kiirus ja tõhusus tahetakse olla oluliselt paranenud.
Viimastel aastatel on pinnaplasmonide ja ainsuse valguse välja lokaliseerimismehhanismide kaudu laserrežiimi maht ületanud optilise difraktsiooni piiri ja sisenenud nanomõõtmesse, põhjustades sellega nanolaasereid.
1. avage tundmatu uurimiseks helge uks
Looduses genereeritakse valgust kahel viisil: spontaanne kiirgus ja stimuleeritud kiirgus.
Spontaanne kiirgus on suurepärane protsess. Isegi täieliku pimeduse ja ilma väliste footoniteta võib aine iseseisvalt valgust eraldada. Seda seetõttu, et vaakum pole tõeliselt "tühi". See on täidetud pisikeste energiakõikumistega, mida nimetatakse vaakum nullpunkti energiaks. Vaakum nullpunktiga energia võib põhjustada footonite vabanemist erutatud asja. Näiteks küünla valgustamine tekitab küünlavalgel. Tulekahju inimliku kasutamise ajalugu võib jälgida enam kui miljon aastat tagasi. Tulekahju tõi inimese esivanematele valgust ja soojust ning avas tsivilisatsiooni peatüki. Leegid ja hõõglambid on mõlemad spontaansed kiirgusallikad. Nad põlevad või kuumutage, et panna elektronid suure energiatarbega olekusse ja vabastavad seejärel footonid vaakum nullpunkti energia toimimisel maailma valgustamiseks.
Stimuleeritud kiirgus näitab valguse ja aine sügavamat interaktsiooni. Kui väline footon läbib ergastatud olekus ainet, käivitab see aine uue footoni vabastamiseks, mis on täpselt sama kui juhtumi footon. See "kopeeritud" footon muudab kerge tala väga suuna ja järjepidevaks, mis on laser, millega oleme tuttavad. Ehkki laseri leiutis on vähem kui sajand tagasi, on see kiiresti integreeritud avalikku ellu, tuues kaasa maa värisemise muutused.
Laseri leiutis on avanud inimkonnale ereda ukse tundmatu uurimiseks. See pakub meile võimsaid tööriistu ja edendab oluliselt kaasaegse tsivilisatsiooni arengut. Teabe ja kommunikatsiooni valdkonnas on laserid teinud kiire kiudoptilise suhtluse reaalsuse ja teinud võimalikuks globaalseks ühenduseks. Arstiabi korral iseloomustab laserkirurgiat ülitäpsus ja minimaalselt invasiivsus, pakkudes patsientidele ohutumaid ja tõhusamaid ravimeetodeid. Tööstusliku tootmise korral parandavad laserlõikamise ja keevitamise tootmise tõhusust ja toodete täpsust, võimaldades inimestel luua keerukamaid masinaid ja seadmeid. Teadusuuringutes on laserid peamised vahendid gravitatsioonilainete tuvastamiseks ja kvantinfotehnoloogiaks, aidates teadlastel paljastada universumi müsteeriumid.
Alates lasertrükkimisest ja meditsiinilisest ilust igapäevaelus kuni kontrollitud tuuma sulandumise, laserradari ja laserirelvade tipptasemel tehnoloogias on laserid kõikjal ja neil on sügav mõju maailma arengule. See pole mitte ainult muutnud meie eluviisi, vaid laiendanud ka inimeste võimet loodust mõista ja muuta.
2. Võimsad tööriistad looduse mõistmiseks ja rakendamiseks
Plancki musta keha kiirgusseadusest inspireerituna pakkus Einstein välja 1917. aastal stimuleeritud kiirguse kontseptsiooni ja see avastus pani aluse laserite leiutamiseks. Aastal 1954 teatasid Ameerika teadlased Townes ja teised kõigepealt mikrolaine ostsillaatorist, mida realiseeris kiirgus, nimelt mikrolaineahi. Nad kasutasid erutatud ammoniaagi molekule võimenduskeskkonnana ja kasutasid tagasiside saamiseks umbes 12 cm pikkust mikrolaineresonantse õõnsust, realiseerides mikrolaineahjus masereid lainepikkusega umbes 12,56 cm. Mikrolaine maserit peetakse laseri eelkäijaks, kuid laseri võib toota sidusat kiirgust kõrgema sagedusega, selliste eelistega nagu väiksem maht, suurem intensiivsus ja suurem teabe kandmisvõimsus.
1960. aastal leiutas Ameerika teadlane Maiman esimese laseri. Ta kasutas Ruby varda umbes 1 cm pikkuseks kui võimenduse söötmeks ja varda kaks otsa olid hõbetud, et toimida optilise tagasiside saamiseks helkuritena. Välklambi ergastamise all tekitas seade laserväljundi lainepikkusega 694,3 nanomeetrit. Väärib märkimist, et mikrolaine maseri suurus on samas suurusjärgus kui selle lainepikkus. Selle proportsionaalse suhte kohaselt peaks laseri suurus olema umbes 700 nanomeetrit. Esimese laseri suurus oli sellest palju suurem, enam kui 4 suurusjärku. Laseri kahandamine lainepikkusega võrreldava suuruse kahandamiseks kulus umbes 30 aastat. Lainepikkuse piiri läbimiseks kulus pool sajandit ja realiseerige sügavaid alamlainepikkusega lasereid.
Võrreldes tavaliste valgusallikatega, on mikrolaine maserite ja laserite kiirgusenergia koondunud väga kitsasse sagedusvahemikku. Seetõttu võib neid kahte leiutisi pidada elektromagnetiliste lainete lokaliseerimiseks sagedusruumis stimuleeritud kiirguse kaudu. Stimuleeritud kiirgust saab kasutada ka elektromagnetiliste lainete lokaliseerimiseks ajas, impulsi ja ruumi mõõtmetes. Elektromagnetiliste lainete lokaliseerimisega nendes mõõtmetes saavad laserklindiallikad saavutada äärmiselt stabiilse sageduse võnkumise, ülikergete impulsid, kõrge suundumuse ja äärmiselt väikese režiimi mahud, mis võimaldab meil aega täpselt mõõta, jälgida kiiret liikumist, edastada teavet ja energiat pikkadel vahemaadel. , saavutada seadme miniaturiseerimine ja saada suurem pildistamise eraldusvõime.
Alates laserite tulekust on inimesed pidevalt kasutanud valgustite tugevamat lokaliseerimist sellistes mõõtmetes nagu sagedus, aeg, hoog ja ruum, edendanud laserifüüsikauuringute ja laserseadmete kiiret arengut, muutes laserid võimsaks tööriistaks looduse mõistmiseks ja kasutamiseks .
Sagedusmõõtmes saavad kvaliteetse õõnsuse, tagasiside tõrje ja keskkonna eraldamise kaudu laserid säilitada äärmiselt stabiilseid sagedusi, edendades läbimurdeid paljudes peamistes teadusuuringutes, näiteks Bose-Einsteini kondensatsioon (2001 Nobeli preemia füüsikas), täpsuslasser-spektroskoopia (2001 Nobeli auhind), täpsusega laserspektroskoopia. 2005 Nobeli füüsika preemia) ja gravitatsioonilaine tuvastamine (2017 Nobeli füüsika auhind).
Ajamõõtme korral muudavad režiimi lukustamise tehnoloogia ja kõrge astme harmoonilise genereerimise tehnoloogia ultrashorti laserimpulsse reaalsuseks. Äärmusliku aja lokaliseerimise kaudu saavad attosekundid laserid tekitada kergeid impulsse, mis kestavad ainult ühe optilise tsükliga. See läbimurre võimaldab jälgida ultrafastiprotsesse, näiteks elektronide liikumist aatomite sisemises kihis, ja võitis 2023. aasta füüsika auhinna.
Hooguse mõõtmes on suure piirkonna ühe režiimiga laserite väljatöötamine saavutanud valguvälja kõrge lokaliseerimise impulsiruumis, muutes laserkiire väga suuna. Saadud kõrgelt kollimeeritud laseriga loodetakse edendada ülikiirete tähtedevahelise kiire optilise kommunikatsiooni arengut.
Ruumilise mõõtme korral võimaldab pinnaplasmonide ja ainsuse valguse välja lokaliseerimismehhanismide kasutuselevõtt laserrežiimi mahul läbi murda optilise difraktsiooni piiri ja jõuda skaalaga, mis on väiksem kui (λ/2n) 3 (kus λ on vaba ruumi valguse lainepikkus ja n on materjali murdumisnäitaja), sünnitades seega nanolaaserid. Nanolaaserite tekkimisel on infotehnoloogia uuendamiseks kaugeleulatuv tähtsus ning valguse ja aine vahelise interaktsiooni uurimine äärmuslikes tingimustes.
3. Optilise difraktsiooni piiri rikkumine
Rohkem kui 30 aastat pärast laseri leiutamist, koos mikrotööstuse tehnoloogia edenemisega ning laserfüüsikauuringute ja laserseadmete sügavama mõistmisega, on välja töötatud erinevat tüüpi mikroseemonductor laserid, sealhulgas mikrokeel , Fotoonilise kristallide defektide laserid ja nanojuhtme laserid. 1992. aastal mõistsid Ameerika Ühendriikide Bell Laboratories edukalt esimest mikrosketta laserit, kasutades mikrosketta sosistava galeriirežiimi, et valgust saaks korduvalt kajastuda mikroskettal, saada resonant tagasiside ja saavutada lasin. 1999. aastal mõistis Ameerika Ühendriikide California tehnoloogiainstituut esimest fotoonilise kristallide defektlaserit, tutvustades valguse piiramiseks kahemõõtmelistel fotoonilistel kristallidel punktidefekte. 2001. aastal realiseeris California ülikool Berkeley edukalt pooljuhtide nanojuhtme lasereid esimest korda, kasutades reflektorina nanovõre otsapinda. Need laserid vähendavad funktsiooni suurust ühe vaakumlainepikkuse järjekorrani, kuid optilise difraktsioonipiirangu piirangute tõttu on dielektrilistel resonaatoritel põhinevaid lasereid keeruline edasi kahandada.
Geomeetrias on parempoolse kolmnurga parempoolse külje pikkus väiksem kui hüpotenuuse pikkus. Difraktsioonipiiri purustamiseks mikroskoopilisel skaalal peab kahe parempoolse külje pikkus olema suurem kui hüpotenuus. 2009. aastal mõistsid kolm maailma meeskonda kõigepealt plasmonilisi nanolaisereid, mis purunesid läbi optilise difraktsiooni piiri. Nende hulgas mõistis California ülikooli, Berkeley ja Pekingi ülikooli meeskond plasmoonilise nanolaaseri, mis põhineb ühemõõtmelisel pooljuht nanojuhtme-issalaator-metalli struktuuril; Ameerika Ühendriikide Eindhoveni tehnikaülikooli meeskond ja Ameerika Ühendriikide Arizona Riiklik Ülikooli töötas välja plasmonilise nanolaaseri, mis põhineb metalli-semoductor-metalli kolmekihilise tasapinnalise plaadi struktuuri põhjal; Norfolki Riikliku Ülikooli ja Purdue ülikooli meeskond USA-s demonstreeris tuumikrelli struktuuri plasmonilist nanolaaserit, mis põhineb metalli südamiku manustatud võimendusega keskmise kesta põhjal, mis põhineb lokaliseeritud pinna plasmoni resonantsil.
Teisisõnu, tutvustades dispersioonivõrrandi kujuteldavaid ühikuid, ehitasid teadlased tegelikult spetsiaalse kolmnurga, mille parempoolne külg on pikem kui hüpotenuus. Just see spetsiaalne kolmnurk võimaldab meil füüsiliselt saavutada tugevama valguvälja lokaliseerimise.
Pärast enam kui 10 -aastast arengut on plasmoni nanolaaserid näidanud suurepäraseid omadusi, näiteks äärmiselt väikese režiimi maht, ultrafastide modulatsiooni kiirus ja väike energiatarbimine. Võrreldes dielektriliste materjalidega, kuigi plasmoniefekt ühendab valgusvälja metallides vabade elektronide kollektiivse võnkega, et saavutada tugevam valguvälja lokaliseerimine, toob see sidumine ka loomupäraseid oomilisi kadusid, mis viib soojuse genereerimiseni, mis omakorda suurendab seadme võimsust tarbimine ja piirab selle sidususaega.
Aastal 2024 pakkus Pekingi ülikooli meeskond välja uue singulaarsuse dispersioonivõrrandi, mis paljastas kõigi dielektrilise viburi-lipsu nanoantenna dispersiooniomadused. Manustades Pekingi ülikooli meeskonna välja pakutud vibu-lipsu nanoantenna nurga nanohäälte struktuuri, realiseeriti dielektrilises süsteemis esimest korda singulaarsuse dielektriline nanolakraan, mis rikub optilise difraktsiooni piiri. See konstruktsioonikujundus võimaldab valgusvälja äärmusesse kokku suruda ja teoreetiliselt jõuda lõpmata väikese režiimi mahuni, mis on palju väiksem kui optilise difraktsiooni piirmäär. Lisaks suurendab nurga nanohäälsuse keerukas struktuur veelgi valguse välja ladustamisvõimet, andes singulaarsuse nanolaaserile ülikõrge kvaliteedifaktori ja selle optilise õõnsuse kvaliteedifaktori (st optilise õõnsuses salvestatud energia suhe tsükli kohta kaotatud energia võib ületada miljonit.
Pekingi ülikooli meeskond töötas edasi nanolaaseritel põhineva optilise sageduse järkjärgulise massiivi tehnoloogia. Nad demonstreerisid edukalt massiivide sidusa lasktehnoloogia võimsat potentsiaali, kontrollides täpselt lasermassiivis oleva nanolaase lainepikkust ja faasi. Näiteks kasutas meeskond seda tehnoloogiat optilise sagedusmassiivi sidusa kinnipidamise saavutamiseks sellistes mustrites nagu "p", "k", "u", "Hiina" ja "Hiina", mis näitab oma laialdaseid rakenduse väljavaateid integreeritud footonika valdkondades , Mikro-nano valgusallika massiivid ja optilised kommunikatsioonid. (Autor: Ma Renmin, Pekingi ülikooli füüsikakooli professor)
