מושג וסיווג של ננולייזרים

ננולייזר הוא מעין מכשיר מיקרו וננו אשר עשוי מננו-חומרים כגון ננו-תיל כתהודה ויכול לפלוט לייזר תחת עירור פוטו או עירור חשמלי. גודלו של הלייזר הזה הוא לעתים קרובות רק מאות מיקרון או אפילו עשרות מיקרונים, והקוטר הוא עד סדר ננומטר, שהוא חלק חשוב מתצוגת הסרט הדק העתידית, האופטיקה המשולבת ותחומים נוספים.

סיווג ננולייזר:

1. לייזר ננו-wire

בשנת 2001, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, בארצות הברית, יצרו את הלייזר הקטן ביותר בעולם - ננולייזרים - על חוט הננו-אופטי רק באלפית מאורך שערה אנושית. הלייזר הזה לא רק פולט לייזרים אולטרה סגול, אלא גם יכול להיות מכוון לפלוט לייזרים החל מכחול ועד אולטרה סגול עמוק. החוקרים השתמשו בטכניקה סטנדרטית הנקראת אפיפיטציה מכוונת כדי ליצור את הלייזר מגבישי תחמוצת אבץ טהורים. תחילה הם "טיפחו" ננו-חוטים, כלומר נוצרו על שכבת זהב בקוטר של 20 ננומטר עד 150 ננומטר ואורך של 10,000 ננומטר חוטי תחמוצת אבץ טהורים. לאחר מכן, כאשר החוקרים הפעילו את גבישי תחמוצת האבץ הטהורים בננו-חוטים עם לייזר אחר מתחת לחממה, גבישי תחמוצת האבץ הטהורים פלטו לייזר באורך גל של 17 ננומטר בלבד. ננולייזרים כאלה יכולים לשמש בסופו של דבר כדי לזהות כימיקלים ולשפר את קיבולת אחסון המידע של דיסקים מחשבים ומחשבים פוטוניים.

2. ננולייזר אולטרה סגול

בעקבות הופעתם של מיקרו-לייזרים, לייזרים מיקרו-דיסקים, לייזרים מיקרו-טבעות ולייזרי מפולת קוונטים, הכימאי יאנג פיידונג ועמיתיו באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, יצרו ננולייזרים בטמפרטורת החדר. ננולייזר תחמוצת אבץ זה יכול לפלוט לייזר ברוחב קו של פחות מ-0.3 ננומטר ואורך גל של 385 ננומטר תחת עירור אור, הנחשב ללייזר הקטן ביותר בעולם ולאחד המכשירים הפרקטיים הראשונים שיוצרו באמצעות ננוטכנולוגיה. בשלב הראשוני של הפיתוח, החוקרים חזו כי ננולייזר ZnO זה קל לייצור, בהירות גבוהה, גודל קטן, והביצועים שווים או אפילו טובים יותר מלייזרי GaN כחולים. בגלל היכולת ליצור מערכי ננו-חוטים בצפיפות גבוהה, ננולייזרי ZnO יכולים להיכנס ליישומים רבים שאינם אפשריים עם מכשירי GaAs של היום. על מנת לגדל לייזרים כאלה, ננו-תיל ZnO מסונתז בשיטת הובלת גז אשר מזרזת צמיחת גבישים אפיטקסיאלית. ראשית, מצע הספיר מצופה בשכבה של סרט זהב בעובי 1 ננומטר~3.5 ננומטר, ולאחר מכן מניחים אותו על סירת אלומינה, החומר והמצע מחוממים ל-880 מעלות צלזיוס ~905 מעלות צלזיוס בזרם האמוניה לייצור קיטור Zn, ואז קיטור Zn מועבר למצע. ננו-חוטים של 2μm ~ 10μm עם שטח חתך משושה נוצרו בתהליך הצמיחה של 2 דקות ~ 10 דקות. החוקרים מצאו שננו-חוט ZnO יוצר חלל לייזר טבעי בקוטר של 20 ננומטר עד 150 ננומטר, ורוב (95%) של הקוטר שלו הוא 70 ננומטר עד 100 ננומטר. כדי לחקור פליטה מגורה של הננו-חוטים, החוקרים שאבו אופטית את המדגם בחממה עם הפלט ההרמוני הרביעי של לייזר Nd:YAG (אורך גל של 266 ננומטר, רוחב פולסים של 3 ננומטר). במהלך האבולוציה של ספקטרום הפליטה, האור נפגע עם עליית כוח המשאבה. כאשר הלייזר חורג מהסף של ננו-תיל ZnO (כ-40kW/cm), הנקודה הגבוהה ביותר תופיע בספקטרום הפליטה. רוחב הקו של הנקודות הגבוהות ביותר הללו הוא פחות מ-0.3 ננומטר, שזה יותר מ-1/50 פחות מרוחב הקו מקודקוד הפליטה מתחת לסף. רוחבי הקו הצרים והעליות המהירות בעוצמת הפליטה הביאו את החוקרים למסקנה שפליטת מגורה אכן מתרחשת בננו-חוטים הללו. לכן, מערך ננו-חוטי זה יכול לשמש מהוד טבעי ובכך להפוך למקור מיקרו לייזר אידיאלי. החוקרים מאמינים שניתן להשתמש בננולייזר זה באורך גל קצר בתחומי המחשוב האופטי, אחסון המידע והננו-אנליזטור.

3. לייזרים באר קוונטים

לפני ואחרי 2010, רוחב הקו שנחרט על שבב המוליכים למחצה יגיע ל-100 ננומטר או פחות, ויהיו רק מעט אלקטרונים נעים במעגל, ולהגדלה והקטנה של האלקטרון תהיה השפעה רבה על פעולת המעגל. מַעְגָל. כדי לפתור בעיה זו, נולדו לייזר בארות קוונטיות. במכניקת הקוונטים, שדה פוטנציאלי המגביל את תנועת האלקטרונים ומכמת אותם נקרא באר קוונטים. אילוץ קוונטי זה משמש ליצירת רמות אנרגיה קוונטית בשכבה הפעילה של הלייזר המוליך למחצה, כך שהמעבר האלקטרוני בין רמות האנרגיה שולט בקרינה הנרגשת של הלייזר, שהוא לייזר באר קוונטי. ישנם שני סוגים של לייזר בארות קוונטיות: לייזר קו קוונטי ולייזר נקודות קוונטיות.

① לייזר קו קוונטי

מדענים פיתחו לייזרים חוטי קוואנטים שהם פי 1,000 חזקים יותר מלייזרים מסורתיים, ועושים צעד גדול לקראת יצירת מחשבים והתקני תקשורת מהירים יותר. הלייזר, שיכול להגביר את מהירות האודיו, הווידאו, האינטרנט וצורות אחרות של תקשורת על גבי רשתות סיבים אופטיות, פותח על ידי מדענים מאוניברסיטת ייל, Lucent Technologies Bell LABS בניו ג'רזי ומכון מקס פלנק לפיזיקה בדרזדן. גֶרמָנִיָה. לייזרים בעלי הספק גבוה יותר אלו יפחיתו את הצורך ב-Repeaters יקרים, אשר מותקנים כל 80 ק"מ (50 מייל) לאורך קו התקשורת, ומייצרים שוב פולסי לייזר שהם פחות אינטנסיביים כשהם עוברים דרך הסיב (Repeaters).