Nanolaser - Nanolaser
En nanolaser er en laser som har nanoskala dimensjoner, og den refererer til en mikro-/nano-enhet som kan avgi lys med lys eller elektrisk eksitasjon av nanotråder eller andre nanomaterialer som fungerer som resonatorer . En standardfunksjon hos nanolasere inkluderer lysinneslutning på en skala som nærmer seg eller undertrykker diffraksjonsgrensen for lys . Disse bittesmå laserne kan moduleres raskt, og kombinert med det lille fotavtrykket gjør de dem til ideelle kandidater for optisk databehandling på brikken .
Historie
Albert Einstein foreslo den stimulerte utslipp i 1916, noe som bidro til den første demonstrasjonen av laser i 1961. Fra da av har folk drevet med miniatyrisering av lasere for mer kompakt størrelse og mindre energiforbruk hele tiden. Siden folk la merke til at lys har forskjellige interaksjoner med materie på nanoskalaen på 1990 -tallet, har det blitt gjort betydelige fremskritt for å oppnå miniatyrisering av lasere og øke effektkonverteringseffektiviteten. Ulike typer nanolasere har blitt utviklet de siste tiårene.
På 1990-tallet ble det vist at noen spennende design av mikrodisklaser og fotonisk krystalllaser har hulromsstørrelse eller energivolum med mikro-/nanodiametere og nærmer seg diffraksjonsgrensen for lys. Fotoluminescensadferd for store ZnO -nanotråder ble først rapportert i 2001 av prof. Peidong Yang fra University of California, Berkeley, og det åpnet døren til studiet av nanotrådnanolasere . Disse designene overstiger fremdeles ikke diffraksjonsgrensen før demonstrasjonen av plasmoniske lasere eller spasere.
David J. Bergman og Mark Stockman foreslo først forsterkede plasmonbølger av overflater ved stimulert utslipp og myntet begrepet spaser som "overflate plasmon forsterkning ved stimulert stråling" i 2003. Fram til 2009 ble de plasmoniske nanolaserne eller spaserne først oppnådd eksperimentelt, som ble betraktet som de minste nanolaserne på den tiden.
Siden omtrent 2010 har det vært fremgang innen nanolaserteknologi, og nye typer nanolasere har blitt utviklet, for eksempel paritetstidssymmetri- laser, bundne tilstander i kontinuumlaseren og fotoniske topologiske isolatorer laser.
Sammenligning med konvensjonelle lasere
Mens de deler mange likheter med standardlasere, opprettholder nanolasere mange unike funksjoner og forskjeller fra de konvensjonelle laserne på grunn av det faktum at lys interagerer annerledes med materie i nanoskalaen.
Mekanisme
I likhet med de konvensjonelle laserne, er nanolasere også basert på stimulert utslipp som ble foreslått av Einstein; Hovedforskjellen mellom nanolaser og de konvensjonelle i mekanismen er lett innesperring. Resonatoren eller hulrommet spiller en viktig rolle i valg av lys med en bestemt frekvens og i samme retning som den mest prioriterte forsterkningen og undertrykker det andre lyset for å oppnå inneslutning av lys. For konvensjonelle lasere påføres Fabry – Pérot hulrom med to parallelle speil. I dette tilfellet kan lys begrenses til maksimalt halvparten av bølgelengden, og slik grense regnes som diffraksjonsgrensen for lys. For å nærme eller redusere diffraksjonsgrensen for lys, er en måte å forbedre refleksiviteten til forsterkningsmediet , for eksempel bruk av fotonisk båndgap og nanotråder. En annen effektiv måte å overskride diffraksjonsgrensen på er å konvertere lys til overflateplasmoner i nanostrukturaliserte metaller, for amplifikasjon i hulrom. Nylig har nye mekanismer for sterk lysinneslutning for nanolasere blitt inkludert paritetstidssymmetri, fotoniske topologiske isolatorer og bundne tilstander i kontinuum.
Egenskaper
Sammenlignet med konvensjonelle lasere, viser nanolasere forskjellige egenskaper og evner. De største fordelene med nanolasere er deres ekstremt små fysiske volumer for å forbedre energieffektiviteten, redusere laserterskler og oppnå høye modulasjonshastigheter.
Typer nanolasere
Mikrodisk laser
En mikrodisklaser er en veldig liten laser som består av en disk med kvantebrønnstrukturer innebygd i den. Dens dimensjoner kan eksistere på mikroskala eller nanoskala. Mikrodisklasere bruker et hviskende galleri- resonanshulrom. Lyset i hulrommet beveger seg rundt diskens omkrets, og den totale interne refleksjonen av fotoner kan resultere i en sterk lysinneslutning og en høy kvalitetsfaktor, noe som betyr at mikrokaviteten har en kraftig evne til å lagre energien til fotoner koblet til hulrommet.
Fotonisk krystalllaser
Fotoniske krystalllasere benytter periodiske dielektriske strukturer med forskjellige brytningsindekser; lys kan begrenses ved bruk av en fotonisk krystallmikrohule. I dielektriske materialer er det ryddig romlig fordeling. Når det er en defekt i den periodiske strukturen, vil den todimensjonale eller tredimensjonale fotoniske krystallstrukturen begrense lyset i rommet til den diffraktive grensen og produsere Fano-resonansfenomenet , noe som betyr en høy kvalitetsfaktor med sterk lysinnesperring for lasere. Det grunnleggende trekket ved fotoniske krystaller er det fotoniske båndgapet, det vil si at lyset hvis frekvens faller i det fotoniske båndgapet ikke kan forplante seg i krystallstrukturen, noe som resulterer i en høy reflektivitet for innfallende lys og en sterk begrensning av lys til et lite volum av bølgelengdeskala. Utseendet til fotoniske krystaller gjør den spontane utslipp i fotonegapet fullstendig undertrykt. Men de høye kostnadene ved fotonisk krystall hindrer utvikling og spredning av applikasjoner av fotoniske krystalllasere.
Nanowire nanolaser
.jpg)
Halvleder nanotrådlasere har en kvasi-endimensjonal struktur med diametre fra noen få nanometer til noen få hundre nanometer og lengder fra hundrevis av nanometer til noen få mikrometer. Bredden på nanotråder er stor nok til å ignorere kvantestørrelseseffekten , men de er endimensjonale bølgeledere av høy kvalitet med sylindriske, rektangulære, trigonale og sekskantede tverrsnitt. Den kvasi-endimensjonale strukturen og den høye reflektiviteten til nanotrådlaser gjør at den har god optisk bølgeleder og evnen til lysinneslutning. Nanowire lasere ligner Fabry - Pérot hulrom i mekanisme. Høy reflektivitet av nanotråd og flate endefasetter av tråden utgjør et godt resonanshulrom, der fotoner kan bindes mellom de to endene av nanotråden for å begrense lysenergien til nanotrådens aksiale retning, og dermed oppfylle betingelsene for laserformasjon . Polygonale nanotråder kan danne et nesten sirkulært hulrom i tverrsnitt som støtter whispering-gallerimodus.
Plasmonisk nanolaser
Nanolaser basert på overflateplasmon er kjent som plasmonisk nanolaser, hvis størrelse langt overstiger diffraksjonsgrensen for lys. Spesielt hvis en plasmonisk nanolaser er nanoskopisk i tre dimensjoner, kalles det også som spaser , som er kjent for å ha den minste hulrommet og modusstørrelsen. Design av plasmonisk nanolaser har blitt en av de mest effektive teknologimetodene for laserminiaturisering for tiden. Litt annerledes enn de konvensjonelle laserne, inkluderer en typisk konfigurasjon av plasmonisk nanolaser en energioverføringsprosess for å konvertere fotoner til overflateplasmoner. I plasmonisk nanolaser eller spaser er exciton ikke lenger fotoner, men overflate plasmon polariton . Overflate -plasmoner er kollektive svingninger av frie elektroner på metalloverflater under påvirkning av eksterne elektromagnetiske felt . I henhold til deres manifestasjoner kan hulromsmodusen i plasmoniske nanolasere deles inn i de forplantende overflate plasmon polaritoner (SPP) og de ikke-forplantende lokaliserte overflateplasmonene (LSP).
SPP -er er elektromagnetiske bølger som forplanter seg langs grensesnittet mellom metall og medium, og intensiteten avtar gradvis i retningen vinkelrett på forplantningsgrensesnittet. I 2008 validerte Oulton eksperimentelt en plasma -nanotrådlaser bestående av et tynt dielektrisk lag med lav reflektivitet som vokser på en metalloverflate og et forsterkningslag med en høy brytningsindeks halvleder nanotråd. I denne strukturen kan det elektromagnetiske feltet overføres fra metallaget til det mellomliggende gapelaget, slik at modusenergien er sterkt konsentrert, og dermed reduserer energitapet i metallet sterkt.
LSP-modus eksisterer i en rekke forskjellige metallnanostrukturer, som for eksempel metallnanopartikler (nanosfærer, nanostaver, nanocubes, etc.) og rekker av nanopartikler. I motsetning til de forplantende overflate plasmon polaritoner, formerer den lokaliserte overflate plasmoen seg ikke langs overflaten, men svinger frem og tilbake i nanostrukturen i form av stående bølger. Når lys kommer inn på overflaten av en metall -nanopartikler, forårsaker det en reell forskyvning av overfladeladningen i forhold til ionene. Attraksjonen mellom elektroner og ioner tillater oscillasjon av elektrodesky og dannelse av lokal overflate fra polarisasjonseksimer. Oscillasjonen av elektroner bestemmes av de geometriske grensene for forskjellige metallnanopartikler. Når resonansfrekvensen stemmer overens med det innfallende elektromagnetiske feltet, vil det danne den lokaliserte plasmonresonansen på overflaten. I 2009 bekreftet Mikhail A. Noginov fra Norfolk State University i USA den LSP-baserte nanolaser for første gang. Nanolaser i dette papiret var sammensatt av en Au-kjerne som gir plasmon-modus og et silisiumdioksyd dopet med OG-488-fargestoff som gir forsterkningsmediet. Diameteren på Au -kjernen var 14 nm, tykkelsen på silikasjiktet var 15 nm, og diameteren på hele enheten var bare 44 nm, som var den minste nanolaser på den tiden.
Nye typer nanolasere
I tillegg har det blitt utviklet noen nye typer nanolasere de siste årene for å nærme seg diffraksjonsgrensen. Paritetstidssymmetri er relatert til en balanse mellom optisk forsterkning og tap i et koblet hulromssystem. Når forsterkning -tap -kontrasten og koblingskonstanten mellom to identiske, tett plasserte hulrom kontrolleres, skjer faseovergangen til lasemoduser på et eksepsjonelt punkt. Bundet tilstander i kontinuumlaseren begrenser lyset i et åpent system via eliminering av strålingstilstander gjennom destruktiv interferens mellom resonansmoduser. En fotonisk topologisk isolatorlaser er basert på topologiske isolatorer optisk modus, hvor de topologiske tilstandene er begrenset innenfor hulromets grenser og de kan brukes til dannelse av laser. Alle de nye typene nanolasere har høy kvalitetsfaktor og kan oppnå hulromsstørrelse og modusstørrelse som nærmer seg diffraksjonsgrensen for lyset.
applikasjoner
På grunn av de unike egenskapene, inkludert lave laserterskler, høy energieffektivitet og høye modulasjonshastigheter, viser nanolasere store potensialer for praktiske applikasjoner innen materialkarakterisering , integrerte optiske sammenkoblinger og sensing.
Nanolasers for materialkarakterisering
De intense optiske feltene til en slik laser muliggjør også forbedringseffekten i ikke-lineær optikk eller overflateforbedret-raman-spredning ( SERS ). Nanowire nanolasere kan være i stand til optisk deteksjon i skalaen til et enkelt molekyl med høy oppløsning og ultrarask modulering.
Nanolasers for integrerte optiske sammenkoblinger
Internett utvikler seg med ekstremt høy hastighet med stort energiforbruk for datakommunikasjon . Den høye energieffektiviteten til nanolasere spiller en viktig rolle for å redusere energiforbruket for fremtidens samfunn.
Nanolasers for sansing
Plasmoniske nanolaser -sensorer har nylig blitt demonstrert som kan detektere spesifikke molekyler i luft og brukes til optiske biosensorer . Molekyler kan modifisere overflaten av metallnanopartikler og påvirke overflaterekombinasjonshastigheten for forsterkningsmediet for en plasmonisk nanolaser, noe som bidrar til sensormekanismen for plasmoniske nanolasere.
Utfordringer
Selv om nanolasere har vist stort potensial, er det fortsatt noen utfordringer med stor bruk av nanolasere, for eksempel elektrisk injiserte nanolasere, hulromskonfigurasjonsteknikk og forbedring av metallkvaliteten. For nanolasere er realisering av elektrisk injisert eller pumpet drift ved romtemperatur et sentralt skritt mot den praktiske anvendelsen. Imidlertid pumpes de fleste nanolaser optisk, og realiseringen av elektrisk injiserte nanolasere er fremdeles en teknisk hovedutfordring for tiden. Bare noen få studier har rapportert elektrisk injiserte nanolasere. Videre er det fortsatt en utfordring å realisere hulromskonfigurasjonsteknikk og forbedring av metallkvalitet, som er avgjørende for å tilfredsstille kravene til høy ytelse til nanolasere og oppnå sine applikasjoner. Nylig viser nanolaser -matriser et stort potensial for å øke energieffektiviteten og akselerere modulasjonshastigheten.