Nanolaser - Nanolaser
Nanolaser jest laserowa , która ma w nanoskali wymiary i odnosi się do mikro- / nano-urządzenia, które mogą emitować światło o lekkim lub elektrycznego wzbudzania nanodrutów lub innych nanomateriały, które służą jako rezonator . Standardową cechą nanolaserów jest ograniczanie światła w skali zbliżającej się lub tłumiącej granicę dyfrakcji światła . Te małe lasery modulowane można szybko i, w połączeniu z ich małego śladu , to czyni je idealnymi kandydatami do on-chip komputerów optycznych .
Historia
Albert Einstein zaproponował emisję stymulowaną w 1916 roku, co przyczyniło się do pierwszej demonstracji lasera w 1961 roku. Od tego czasu ludzie cały czas dążą do miniaturyzacji laserów w celu uzyskania bardziej kompaktowych rozmiarów i mniejszego zużycia energii. Odkąd w latach 90. ludzie zauważyli, że światło ma różne interakcje z materią w nanoskali, poczyniono znaczne postępy w zakresie miniaturyzacji laserów i zwiększenia wydajności konwersji energii. W ciągu ostatnich dziesięcioleci opracowano różne rodzaje nanolaserów.
W latach 90. wykazano , że niektóre intrygujące konstrukcje lasera mikrodyskowego i lasera kryształu fotonicznego mają wielkość wnęki lub objętość energii o mikro-/nano-średnicach i zbliżają się do granicy dyfrakcji światła. Zachowanie fotoluminescencji masowych nanodrutów ZnO zostało po raz pierwszy opisane w 2001 r. przez prof. Peidong Yang z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley i otworzyło to drzwi do badań nad nanolaserami z nanoprzewodami . Projekty te nadal nie przekraczają granicy dyfrakcji aż do demonstracji laserów plazmonicznych lub spaserów.
David J. Bergman i Mark Stockman po raz pierwszy zaproponowali amplifikowane powierzchniowe fale plazmonowe przez emisję wymuszoną i ukuli termin spaser jako „wzmocnienie plazmonów powierzchniowych przez stymulowaną emisję promieniowania” w 2003 roku. Do 2009 roku nanolasery plazmonowe lub spasery po raz pierwszy uzyskano eksperymentalnie, uważany za najmniejsze nanolasery w tamtym czasie.
Od mniej więcej 2010 roku nastąpił postęp w technologii nanolaserów i opracowano nowe typy nanolaserów, takie jak laser symetrii czasu parzystości , stany związane w laserze ciągłym oraz laser fotonicznych izolatorów topologicznych .
Porównanie z konwencjonalnymi laserami
Mimo wielu podobieństw do standardowych laserów, nanolasery zachowują wiele unikalnych cech i różnic w porównaniu z konwencjonalnymi laserami, ponieważ światło inaczej oddziałuje z materią w nanoskali.
Mechanizm
Podobnie jak w przypadku konwencjonalnych laserów, nanolasery również opierają się na emisji wymuszonej, co zaproponował Einstein; główną różnicą między nanolaserami a konwencjonalnymi w mechanizmie jest ograniczenie światła. Rezonator lub wnęka odgrywa ważną rolę w wyborze światła o określonej częstotliwości i tym samym kierunku, co wzmocnienie o najwyższym priorytecie i tłumieniu drugiego światła, aby uzyskać ograniczenie światła. W przypadku konwencjonalnych laserów stosuje się wnękę Fabry'ego-Pérot z dwoma równoległymi lustrami odbijającymi. W takim przypadku światło może ograniczać się do maksymalnie połowy jego długości fali i taką granicę uważa się za granicę dyfrakcji światła. Aby zbliżyć lub zmniejszyć limit dyfrakcji światła, jednym ze sposobów jest zwiększenie współczynnika odbicia z ośrodka wzmocnienia , takie jak wykorzystanie fotoniczne pasmo zabronione i nanodrutów. Innym skutecznym sposobem na przekroczenie granicy dyfrakcji jest przekształcenie światła w plazmony powierzchniowe w metalach nanostrukturalnych w celu wzmocnienia we wnęce. Ostatnio zaproponowano nowe mechanizmy utrzymywania silnego światła w nanolaserach, w tym symetrię parzystości w czasie, fotoniczne izolatory topologiczne i stany związane w kontinuum.
Nieruchomości
W porównaniu z konwencjonalnymi laserami nanolasery wykazują odmienne właściwości i możliwości. Największymi zaletami nanolaserów są ich ultramałe objętości fizyczne, które poprawiają wydajność energetyczną, zmniejszają progi laserowe i osiągają wysokie prędkości modulacji.
Rodzaje nanolaserów
Laser mikrodyskowy
Laser mikrodyskowy to bardzo mały laser składający się z dysku z wbudowanymi strukturami studni kwantowych . Jego wymiary mogą występować w mikroskali lub nanoskali. Lasery Microdisk wykorzystują wnękę rezonansową w trybie szeptanej galerii . Światło we wnęce przemieszcza się po obwodzie dysku, a całkowite wewnętrzne odbicie fotonów może skutkować silnym zamknięciem światła i wysokim współczynnikiem jakości, co oznacza potężną zdolność mikrownęki do przechowywania energii fotonów sprzężonych do wnęki.
Laser kryształu fotonicznego
Lasery z kryształami fotonicznymi wykorzystują periodyczne struktury dielektryczne o różnych współczynnikach załamania; światło można ograniczyć za pomocą mikrownęki kryształu fotonicznego. W materiałach dielektrycznych występuje uporządkowany rozkład przestrzenny. Gdy występuje defekt w strukturze okresowej, dwuwymiarowa lub trójwymiarowa struktura kryształu fotonicznego ograniczy światło w przestrzeni granicy dyfrakcji i wytworzy zjawisko rezonansu Fano , co oznacza wysoki współczynnik jakości z silnym ograniczeniem światła do laserów. Podstawową cechą kryształów fotonicznych jest fotoniczna przerwa wzbroniona, to znaczy światło, którego częstotliwość spada w fotonicznej przerwie energetycznej, nie może rozchodzić się w strukturze kryształu, co skutkuje wysokim współczynnikiem odbicia dla padającego światła i silnym ograniczeniem światła do małej objętości skali długości fali. Pojawienie się kryształów fotonicznych powoduje całkowite wytłumienie emisji spontanicznej w szczelinie fotonowej. Jednak wysoki koszt kryształu fotonicznego utrudnia rozwój i rozpowszechnianie zastosowań laserów z kryształem fotonicznym.
Nanolaser nanodrutowy
.jpg)
Półprzewodnikowe lasery nanoprzewodowe mają quasi-jednowymiarową strukturę o średnicach od kilku nanometrów do kilkuset nanometrów i długościach od setek nanometrów do kilku mikronów. Szerokość nanodrutów jest wystarczająco duża, aby zignorować efekt wielkości kwantowej , ale są to wysokiej jakości jednowymiarowe falowody o przekroju cylindrycznym, prostokątnym, trygonalnym i sześciokątnym. Quasi-jednowymiarowa struktura i wysoki współczynnik odbicia lasera nanodrutowego sprawia, że ma on dobry falowód optyczny i zdolność ograniczania światła. Lasery nanoprzewodowe są podobne do wnęki Fabry'ego-Pérot w mechanizmie. Wysoki współczynnik odbicia nanodrutu i płaskie końce drutu stanowią dobrą wnękę rezonansową, w której fotony mogą być wiązane między dwoma końcami nanodrutu, aby ograniczyć energię świetlną do kierunku osiowego nanodrutu, spełniając w ten sposób warunki tworzenia lasera . Poligonalne nanodruty mogą tworzyć prawie okrągłą wnękę w przekroju, która obsługuje tryb szeptany-galeria.
Nanolaser plazmonowy
Nanolaser oparty na plazmonie powierzchniowym znany jest jako nanolaser plazmoniczny, którego wielkość znacznie przekracza granicę dyfrakcji światła. Zwłaszcza, jeśli nanolaser plazmoniczny jest nanoskopowy w trzech wymiarach, nazywa się go również spaserem , o którym wiadomo, że ma najmniejszy rozmiar wnęki i rozmiar modu. Projektowanie nanolasera plazmonicznego stało się obecnie jedną z najskuteczniejszych metod technologicznych miniaturyzacji laserowej. Nieco różni się od konwencjonalnych laserów, typowa konfiguracja nanolasera plazmonicznego obejmuje proces przenoszenia energii w celu przekształcenia fotonów w plazmony powierzchniowe. W plazmonicznym nanolaserze lub spaserze ekscytonem nie są już fotony, ale powierzchniowy polaryton plazmonowy . Plazmony powierzchniowe to kolektywne drgania swobodnych elektronów na powierzchni metalu pod wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych . Zgodnie z ich przejawami, tryb wnękowy w nanolaserach plazmonicznych można podzielić na propagujące się polarytony powierzchniowe plazmonów (SPP) i niepropagujące zlokalizowane plazmony powierzchniowe (LSP).
SPP to fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się wzdłuż granicy między metalem a medium, a ich intensywność zanika stopniowo w kierunku prostopadłym do granicy rozchodzenia się. W 2008 r. Oulton przeprowadził eksperymentalną walidację plazmowego lasera nanoprzewodowego składającego się z cienkiej warstwy dielektrycznej o niskim współczynniku odbicia rosnącej na powierzchni metalu oraz warstwy wzmacniającej z nanoprzewodem półprzewodnikowym o wysokim współczynniku załamania . W tej strukturze pole elektromagnetyczne może być przenoszone z warstwy metalowej do warstwy pośredniej szczeliny, dzięki czemu energia modowa jest silnie skoncentrowana, co znacznie zmniejsza straty energii w metalu.
Tryb LSP istnieje w wielu różnych nanostrukturach metalowych, takich jak nanocząstki metali (nanosfery, nanopręty, nanokostki itp.) oraz macierze nanocząstek. W przeciwieństwie do propagujących się polarytonów powierzchniowych plazmonów, zlokalizowany plazmon powierzchniowy nie rozchodzi się po powierzchni, ale oscyluje tam iz powrotem w nanostrukturze w postaci fal stojących. Światło padające na powierzchnię nanocząstek metalu powoduje rzeczywiste przemieszczenie ładunku powierzchniowego względem jonów. Przyciąganie między elektronami i jonami pozwala na oscylację chmury elektrod i tworzenie lokalnej powierzchni z ekscymera polaryzacyjnego. Oscylacja elektronów jest określona przez geometryczne granice różnych nanocząstek metali. Gdy jego częstotliwość rezonansowa jest zgodna z padającym polem elektromagnetycznym, utworzy zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonowy. W 2009 r. Mikhail A. Noginov z Norfolk State University w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy pomyślnie zweryfikował nanolaser na bazie LSP. Nanolaser w tej pracy składał się z rdzenia Au zapewniającego tryb plazmonowy i dwutlenku krzemu domieszkowanego barwnikiem OG-488, zapewniającym ośrodek wzmocnienia. Średnica rdzenia Au wynosiła 14 nm, grubość warstwy krzemionki 15 nm, a średnica całego urządzenia to zaledwie 44 nm, co było wówczas najmniejszym nanolaserem.
Nowe typy nanolaserów
Ponadto w ostatnich latach opracowano kilka nowych rodzajów nanolaserów, aby zbliżyć się do granicy dyfrakcji. Symetria parzystości jest związana z równowagą wzmocnienia i strat optycznych w sprzężonym systemie wnękowym. Gdy kontroluje się kontrast wzmocnienia i straty oraz stałą sprzężenia między dwiema identycznymi, blisko położonymi wnękami, przejście fazowe modów laserowych następuje w wyjątkowym punkcie. Stany związane w laserze kontinuum ograniczają światło w układzie otwartym poprzez eliminację stanów promieniowania poprzez destrukcyjną interferencję między modami rezonansowymi. Laser fotoniczny izolator topologiczny oparty jest na trybie optycznym izolatorów topologicznych, w którym stany topologiczne są ograniczone do granic wnęki i mogą być wykorzystane do tworzenia lasera. Wszystkie te nowe typy nanolaserów mają wysoki współczynnik jakości i mogą osiągać wielkość wnęki i wielkość modów zbliżoną do granicy dyfrakcji światła.
Aplikacje
Ze względu na wyjątkowe możliwości, w tym niskie progi laserowe, wysoką wydajność energetyczną i wysokie prędkości modulacji, nanolasery wykazują ogromny potencjał praktycznych zastosowań w dziedzinie charakteryzacji materiałów , zintegrowanych połączeń optycznych i wykrywania.
Nanolasery do charakteryzacji materiałów
Intensywne pola optyczne takiego lasera umożliwiają również uzyskanie efektu wzmocnienia w optyce nieliniowej lub powierzchni wzmocnionego rozpraszania ramanowskiego ( SERS ). Nanolasery Nanowire mogą być zdolne do wykrywania optycznego w skali pojedynczej cząsteczki z wysoką rozdzielczością i ultraszybką modulacją.
Nanolasery do zintegrowanych połączeń optycznych
Internet rozwija się bardzo szybko i zużywa dużo energii na transmisję danych . Wysoka wydajność energetyczna nanolaserów odgrywa ważną rolę w zmniejszaniu zużycia energii dla przyszłego społeczeństwa.
Nanolasery do wykrywania
Niedawno zademonstrowano plazmonowe czujniki nanolaserowe, które mogą wykrywać określone cząsteczki w powietrzu i mogą być stosowane w bioczujnikach optycznych . Cząsteczki mogą modyfikować powierzchnię nanocząstek metali i wpływać na prędkość rekombinacji powierzchni ośrodka wzmacniającego nanolasera plazmonicznego, co przyczynia się do mechanizmu wykrywania nanolaserów plazmonicznych.
Wyzwania
Chociaż nanolasery wykazały ogromny potencjał, nadal istnieją pewne wyzwania związane z zastosowaniem nanolaserów na dużą skalę, na przykład nanolasery wtryskiwane elektrycznie, inżynieria konfiguracji wnęk i poprawa jakości metalu. W przypadku nanolaserów realizacja operacji wtrysku elektrycznego lub pompowania w temperaturze pokojowej jest kluczowym krokiem w kierunku ich praktycznego zastosowania. Jednak większość nanolaserów jest pompowana optycznie, a realizacja nanolaserów wtryskiwanych elektrycznie nadal stanowi obecnie główne wyzwanie techniczne. Tylko kilka badań donosiło o nanolaserach wstrzykiwanych elektrycznie. Co więcej, nadal wyzwaniem pozostaje realizacja inżynierii konfiguracji wnęk i poprawy jakości metalu, które są kluczowe dla spełnienia wymagań wysokiej wydajności nanolaserów i osiągnięcia ich zastosowań. Ostatnio macierze nanolaserów wykazują ogromny potencjał w zakresie zwiększenia wydajności energetycznej i przyspieszenia prędkości modulacji.