קונספט וסיווג של ננו-לייזרים

ננו-לייזר הוא סוג של מכשיר מיקרו וננו העשוי מחומרים ננומטריים כמו ננו-חוט המשמש כתהודה ויכול לפלוט לייזר תחת עירור פוטוטי או עירור חשמלי. גודל הלייזר הוא לרוב רק מאות מיקרונים או אפילו עשרות מיקרונים, והקוטר הוא עד לסדר גודל ננומטרי, שהוא חלק חשוב בצגי הסרט הדק העתידיים, אופטיקה משולבת ותחומים אחרים.

סיווג ננו-לייזר:

1. לייזר ננו-חוט

בשנת 2001, חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, בארצות הברית, יצרו את הלייזר הקטן ביותר בעולם - ננו-לייזרים - על חוט ננו-אופטי שאורכו אלפית בלבד משערה אנושית. לייזר זה לא רק פולט לייזרים אולטרה סגולים, אלא גם ניתן לכוונן אותו לפליטת לייזרים הנעים בין כחול לאולטרה סגול עמוק. החוקרים השתמשו בטכניקה סטנדרטית הנקראת אפיפיטציה אוריינטציה כדי ליצור את הלייזר מגבישי תחמוצת אבץ טהורים. תחילה הם "תרבו" ננו-חוטים, כלומר, נוצרו על שכבת זהב בקוטר של 20 ננומטר עד 150 ננומטר ובאורך של 10,000 ננומטר חוטי תחמוצת אבץ טהורים. לאחר מכן, כאשר החוקרים הפעילו את גבישי תחמוצת האבץ הטהורים בננו-חוטים באמצעות לייזר נוסף מתחת לחממה, גבישי תחמוצת האבץ הטהורים פלטו לייזר באורך גל של 17 ננומטר בלבד. ננו-לייזרים כאלה יוכלו לשמש בסופו של דבר לזיהוי כימיקלים ולשיפור קיבולת אחסון המידע של דיסקים של מחשבים ומחשבים פוטוניים.

2. ננו-לייזר אולטרה סגול

בעקבות הופעתם של מיקרו-לייזרים, לייזרי מיקרו-דיסק, לייזרי מיקרו-טבעת ולייזרי מפולת קוונטית, הכימאי יאנג פיידג'ונג ועמיתיו מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, ייצרו ננו-לייזרים בטמפרטורת החדר. ננו-לייזר 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 המעשיים הראשונים שיוצרו באמצעות ננוטכנולוגיה. בשלב הראשוני של הפיתוח, החוקרים ניבאו כי ננו-לייזר תחמוצת אבץ זה קל לייצור, בהירות גבוהה, גודל קטן והביצועים שווים או אף טובים יותר מלייזרי GaN כחולים. בשל היכולת לייצר מערכי ננו-חוטים בצפיפות גבוהה, ננו-לייזרים של תחמוצת אבץ יכולים להיכנס ליישומים רבים שאינם אפשריים עם התקני GaAs של ימינו. על מנת לגדל לייזרים כאלה, ננו-חוט תחמוצת אבץ מסונתז בשיטת הובלת גז אשר מזרזת צמיחת גבישים אפיטקסיאליים. ראשית, מצע הספיר מצופה בשכבת זהב בעובי 1 ננומטר ~ 3.5 ננומטר, ולאחר מכן מונח על סירת אלומינה, החומר והמצע מחוממים ל-880 מעלות צלזיוס ~ 905 מעלות צלזיוס בזרימת אמוניה כדי לייצר קיטור אבץ, ולאחר מכן קיטור האבץ מועבר למצע. ננו-חוטים בגודל 2 מיקרומטר ~ 10 מיקרומטר עם שטח חתך משושה נוצרו בתהליך גידול של 2 דקות ~ 10 דקות. החוקרים מצאו כי ננו-חוט אבץ יוצר חלל לייזר טבעי בקוטר של 20 ננומטר עד 150 ננומטר, ורוב (95%) מקוטרו הוא 70 ננומטר עד 100 ננומטר. כדי לחקור את הפליטה המגורה של הננו-חוטים, החוקרים שאבו את הדגימה בצורה אופטית בחממה עם הפלט ההרמוני הרביעי של לייזר Nd:YAG (אורך גל 266 ננומטר, רוחב פולס 3 ננומטר). במהלך התפתחות ספקטרום הפליטה, האור מתעצם עם הגדלת עוצמת המשאבה. כאשר הלייזר חורג מסף ננו-חוט ה-ZnO (כ-40 קילוואט/ס"מ), הנקודה הגבוהה ביותר תופיע בספקטרום הפליטה. רוחב הקו של נקודות גבוהות אלו קטן מ-0.3 ננומטר, שהוא פחות מ-1/50 מרוחב הקו מקודקוד הפליטה שמתחת לסף. רוחבי הקווים הצרים הללו והעלייה המהירה בעוצמת הפליטה הובילו את החוקרים למסקנה כי פליטה מגורה אכן מתרחשת בננו-חוטים אלו. לכן, מערך ננו-חוטים זה יכול לשמש כמהודה טבעית וכך להפוך למקור מיקרו-לייזר אידיאלי. החוקרים מאמינים כי ננו-לייזר קצר-גל זה יכול לשמש בתחומי המחשוב האופטי, אחסון מידע וננו-אנליזטור.

3. לייזרים קוונטיים של בארות

לפני ואחרי 2010, רוחב הקו החרוט על שבב המוליך למחצה יגיע ל-100 ננומטר או פחות, ויהיו רק מעט אלקטרונים הנעים במעגל, והעלייה והירידה של אלקטרון ישפיעו רבות על פעולת המעגל. כדי לפתור בעיה זו, נולדו לייזרי באר קוונטית. במכניקת הקוונטים, שדה פוטנציאלי המגביל את תנועת האלקטרונים ומכמת אותם נקרא באר קוונטית. אילוץ קוונטי זה משמש ליצירת רמות אנרגיה קוונטיות בשכבה הפעילה של לייזר המוליך למחצה, כך שהמעבר האלקטרוני בין רמות האנרגיה שולט בקרינה המעוררת של הלייזר, שהוא לייזר באר קוונטית. ישנם שני סוגים של לייזרי באר קוונטית: לייזרי קו קוונטיים ולייזרי נקודות קוונטיות.

① לייזר קוונטי

מדענים פיתחו לייזרי חוט קוונטיים חזקים פי 1,000 מלייזרים מסורתיים, ובכך עשו צעד גדול לקראת יצירת מחשבים והתקני תקשורת מהירים יותר. הלייזר, שיכול להגביר את מהירות האודיו, הווידאו, האינטרנט וצורות תקשורת אחרות ברשתות סיבים אופטיים, פותח על ידי מדענים באוניברסיטת ייל, Lucent Technologies Bell LABS בניו ג'רזי ומכון מקס פלאנק לפיזיקה בדרזדן, גרמניה. לייזרים בעלי עוצמה גבוהה יותר אלה יפחיתו את הצורך ברפיטרים יקרים, המותקנים כל 80 ק"מ (50 מייל) לאורך קו התקשורת, ומייצרים שוב פולסי לייזר בעלי עוצמה נמוכה יותר כשהם עוברים דרך הסיב (רפיטרים).