لیزرها به طور گسترده در ارتباطات ، تصویربرداری پزشکی و جراحی ، الکترونیک مصرفی و سایر زمینه ها مورد استفاده قرار می گیرند و زندگی مردم را به شدت تغییر داده اند. در سالهای اخیر ، به منظور کوچکتر شدن اندازه لیزرها ، دانشمندان نانولازرها را توسعه داده اند ، که نه تنها باعث افزایش مینیاتوری و ادغام دستگاه های فوتونی می شود ، بلکه مسیرهای جدیدی را نیز برای مطالعه تعامل بین نور و ماده در شرایط شدید باز می کند. این مقاله با تولید نور آغاز می شود و شما را به کشف دنیای نانولازرها در عمق می برد.
در زمینه فناوری اطلاعات ، ترانزیستورها و لیزرها دو مؤلفه اصلی هستند. مینیاتوریزاسیون ترانزیستورها توسعه سریع تراشه های الکترونیکی را ارتقا داده و قانون مشهور مور را ایجاد کرده است - تعداد ترانزیستورهایی که می توانند در یک مدار یکپارچه قرار بگیرند ، هر 18 ماه دو برابر می شود. این روند اندازه پیشرفته ترین ترانزیستورها را به سطح نانومتر سوق داده است. در حال حاضر ، بیش از 10 میلیارد ترانزیستور می توانند در تراشه های تلفن همراه و رایانه ای که توسط عموم استفاده می شود ادغام شوند و به این دستگاه ها قابلیت پردازش اطلاعات قدرتمند و ترویج ورود دوره دیجیتال و هوشمند را ارائه دهند. در عین حال ، کوچک سازی لیزرها باعث انقلابی در فناوری فوتونیک شده است. پس از گذشت بیش از نیم قرن از توسعه ، لیزرهای نیمه هادی مینیاتوری به طور گسترده ای در ارتباطات ، ذخیره داده ها ، تصویربرداری و جراحی پزشکی ، سنجش و اندازه گیری ، الکترونیک مصرفی ، تولید افزودنی ، نمایش و نورپردازی و سایر زمینه ها مورد استفاده قرار گرفته است.
لیزرهای مقیاس پذیر از ترانزیستورها دشوارتر است زیرا آنها به ترانزیت های ذرات میکروسکوپی بسیار متکی به اتکا به الکترون ها متکی هستند ، در حالی که لیزرها به فوتون ها متکی هستند. در باندهای مرئی و مادون قرمز نزدیک ، طول موج فوتون سه مرتبه بالاتر از طول موج الکترون در ترانزیستورها است. با توجه به حد پراش ، حداقل حجم حالت که در آن می توان این فوتون ها را فشرده کرد ، حدود نه مرتبه یا یک میلیارد بار بزرگتر از الکترونها در یک ترانزیستور است. چالش اصلی در ساخت لیزرهای نانو ، نحوه شکستن حد پراش و "فشرده سازی" حجم فوتون ها به حد مجاز است. غلبه بر این مشکل نه تنها به طور قابل توجهی توسعه فناوری فوتونیک را ترویج می کند بلکه بسیاری از سناریوهای کاربردی جدید را نیز به همراه خواهد داشت. تصور کنید که وقتی فوتون ها ، مانند الکترون ها ، می توانند در مقیاس نانومتر انعطاف پذیر باشند ، می توانیم از نور استفاده کنیم تا مستقیماً ساختار خوب DNA را مشاهده کنیم ، و همچنین می توانیم تراشه های یکپارچه اپتوالکترونیک در مقیاس بزرگ را ایجاد کنیم و سرعت و کارآیی پردازش اطلاعات بسیار بهبود یافته است
در سالهای اخیر ، از طریق پلاسمون های سطحی و مکانیسم های محلی سازی میدان نور نقطه مفرد ، حجم حالت لیزر از حد پراش نوری فراتر رفته و وارد نانو می شود ، بنابراین به نانولازرها می رسد.
1. درب روشن را باز کنید تا ناشناخته ها را کشف کنید
در طبیعت ، نور به دو روش ایجاد می شود: تابش خود به خودی و تابش تحریک شده.
تابش خود به خود یک روند فوق العاده است. حتی در تاریکی کامل و بدون هیچ گونه فوتون خارجی ، ماده می تواند به تنهایی نور را منتشر کند. این امر به این دلیل است که خلاء واقعاً "خالی" نیست. پر از نوسانات انرژی ریز ، به نام انرژی صفر خلاء است. انرژی صفر خلاء می تواند باعث آزاد شدن مواد هیجان انگیز شود. به عنوان مثال ، روشنایی یک شمع شمع را تولید می کند. تاریخ استفاده انسان از آتش را می توان بیش از 1 میلیون سال پیش ردیابی کرد. آتش سوزی و گرما را برای اجداد انسانی به ارمغان آورد و فصل تمدن را باز کرد. شعله های آتش و لامپ های رشته ای هر دو منبع تابش خود به خود هستند. آنها برای قرار دادن الکترون ها در حالت پر انرژی ، سوزانده یا گرما می سوزانند و سپس فوتون ها را تحت عمل انرژی صفر خلاء برای روشنایی جهان آزاد می کنند.
تابش تحریک شده تعامل عمیق تر بین نور و ماده را نشان می دهد. هنگامی که یک فوتون خارجی از یک ماده در حالت هیجان زده عبور می کند ، باعث می شود که ماده یک فوتون جدید را منتشر کند که دقیقاً مشابه فوتون حادثه است. این فوتون "کپی شده" باعث می شود پرتو نور بسیار جهت دار و سازگار باشد ، که لیزری است که با آن آشنا هستیم. اگرچه اختراع لیزر کمتر از یک قرن پیش است ، اما به سرعت در زندگی عمومی ادغام شده است و باعث ایجاد تغییرات لرزش زمین شده است.
اختراع لیزر برای کشف ناشناخته ها ، یک درب روشن را برای بشر باز کرده است. این ابزارهای قدرتمند را برای ما فراهم می کند و توسعه تمدن مدرن را تا حد زیادی ترویج می کند. در زمینه اطلاعات و ارتباطات ، لیزرها ارتباطات فیبر نوری با سرعت بالا را به واقعیت تبدیل کرده و اتصال جهانی را ممکن کرده است. در مراقبت های پزشکی ، جراحی لیزر با دقت بالا و حداقل تهاجمی مشخص می شود و روشهای درمانی ایمن تر و مؤثرتر را در اختیار بیماران قرار می دهد. در تولید صنعتی ، برش و جوش لیزر باعث افزایش بهره وری تولید و دقت محصول می شود و به افراد امکان می دهد ماشین آلات و تجهیزات پیشرفته تری ایجاد کنند. در تحقیقات علمی ، لیزرها ابزارهای اصلی برای تشخیص موج گرانشی و فناوری اطلاعات کوانتومی هستند و به دانشمندان کمک می کنند تا از اسرار جهان پرده برداری کنند.
از چاپ لیزر و زیبایی پزشکی در زندگی روزمره گرفته تا همجوشی هسته ای کنترل شده ، رادار لیزر و سلاح های لیزری در فناوری برش ، لیزرها در همه جا هستند و تأثیر عمیقی بر توسعه جهان دارند. این نه تنها شیوه زندگی ما را تغییر داده است ، بلکه توانایی انسانها را نیز در درک و تحول در طبیعت گسترش داده است.
2. ابزارهای قدرتمندی برای درک و مهار طبیعت
انیشتین با الهام از قانون تابش سیاه پوست پلانک ، مفهوم تابش تحریک شده را در سال 1917 پیشنهاد کرد و این کشف پایه و اساس اختراع لیزرها را ایجاد کرد. در سال 1954 ، دانشمندان آمریکایی تاونز و دیگران برای اولین بار از نوسانگر مایکروویو که با تابش تحریک شده ، یعنی یک ماسر مایکروویو تحقق یافته است ، گزارش دادند. آنها از مولکول های آمونیاک هیجان زده به عنوان رسانه افزایش استفاده کردند و از یک حفره رزونانس مایکروویو به طول 12 سانتی متر برای ارائه بازخورد استفاده کردند و متوجه مازرز مایکروویو با طول موج در حدود 12.56 سانتی متر شدند. مایکروویو مازر به عنوان سلف لیزر در نظر گرفته می شود ، اما لیزر می تواند تابش منسجم را با فرکانس بالاتر تولید کند ، با مزایایی مانند حجم کوچکتر ، شدت بالاتر و ظرفیت حمل اطلاعات بالاتر.
در سال 1960 ، دانشمند آمریکایی میمن اولین لیزر را اختراع کرد. او از یک میله یاقوت در حدود 1 سانتی متر به عنوان متوسط افزایش استفاده کرد و دو انتهای میله با روکش نقره ای بود تا به عنوان بازتابنده برای ارائه بازخورد نوری عمل کند. تحت تحریک یک لامپ فلش ، دستگاه خروجی لیزر با طول موج 694.3 نانومتر تولید کرد. شایان ذکر است که اندازه مازر مایکروویو به همان ترتیب از طول موج آن است. با توجه به این رابطه متناسب ، اندازه لیزر باید حدود 700 نانومتر باشد. با این حال ، اندازه لیزر اول بسیار بزرگتر از این بود ، با بیش از 4 سفارش از بزرگی. حدود 30 سال طول کشید تا لیزر به اندازه قابل مقایسه با طول موج کوچک شود و نیم قرن طول کشید تا از حد طول موج شکسته شود و لیزرهای طول موج عمیق را تحقق بخشد.
در مقایسه با منابع نور معمولی ، انرژی تابش ماسترهای مایکروویو و لیزرها در یک محدوده فرکانس بسیار باریک متمرکز شده است. بنابراین ، این دو اختراع را می توان به عنوان بومی سازی امواج الکترومغناطیسی در فضای فرکانس از طریق تابش تحریک شده در نظر گرفت. از تابش تحریک شده همچنین می توان برای بومی سازی امواج الکترومغناطیسی در ابعاد زمان ، حرکت و فضا استفاده کرد. با بومی سازی امواج الکترومغناطیسی در این ابعاد ، منابع نور لیزر می توانند به نوسانات فرکانس بسیار پایدار ، پالس های فوق العاده کوتاه ، جهت گیری بالا و حجم حالت بسیار کوچک دست یابند ، که ما را قادر می سازد تا زمان را به طور دقیق اندازه گیری کنیم ، حرکت سریع ، انتقال اطلاعات و انرژی را در مسافت های طولانی مشاهده کنیم. ، به مینیاتوریزاسیون دستگاه برسید و وضوح تصویربرداری بالاتری کسب کنید.
از زمان ظهور لیزرها ، مردم دائماً بومی سازی قوی تر زمینه های نور را در ابعاد مانند فرکانس ، زمان ، حرکت و فضا ، ترویج توسعه سریع تحقیقات فیزیک لیزر و دستگاه های لیزر دنبال می کنند و لیزرها را به ابزاری قدرتمند برای درک و استفاده از طبیعت تبدیل می کنند. بشر
در بعد فرکانس ، از طریق حفره با کیفیت بالا ، کنترل بازخورد و انزوای محیطی ، لیزرها می توانند فرکانس های بسیار پایدار را حفظ کنند ، و پیشرفت هایی را در بسیاری از تحقیقات مهم علمی مانند تراکم بوز-انیشتین (جایزه نوبل 2001 در فیزیک) ، طیف سنجی لیزر دقیق (لیزر دقیق (2001 جایزه نوبل) انجام دهند ( 2005 جایزه نوبل فیزیک) و تشخیص موج گرانشی (جایزه نوبل فیزیک 2017).
در ابعاد زمان ، فناوری قفل کردن حالت و فناوری تولید هارمونیک مرتبه بالا ، پالس های لیزر Ultrashort را به واقعیت تبدیل می کنند. از طریق بومی سازی زمان شدید ، لیزرهای Attosecond می توانند پالس های نوری تولید کنند که فقط در حدود یک چرخه نوری طول می کشد. این دستیابی به موفقیت باعث می شود فرآیندهای ultrafast مانند حرکت الکترون ها در لایه داخلی اتم ها مشاهده شود و جایزه نوبل 2023 را در فیزیک بدست آورد.
در بعد حرکت ، توسعه لیزرهای تک حالت در منطقه بزرگ به درجه بالایی از بومی سازی میدان نور در فضای حرکت دست یافته است و باعث می شود پرتو لیزر بسیار جهت دار باشد. پیش بینی می شود لیزر بسیار جمع شده حاصل باعث توسعه ارتباطات نوری با سرعت بالا بین ستاره ای با فاصله بسیار طولانی شود.
در بعد مکانی ، معرفی پلاسمون های سطحی و مکانیسم های محلی سازی میدان نور تکینگی به حجم حالت لیزر اجازه می دهد تا از حد پراش نوری شکسته شود و به مقیاس کمتر از (λ/2N) 3 برسد (جایی که λ طول موج نور فضای آزاد است و n ضریب شکست مواد است) ، بنابراین نانولازرها را به دنیا می آورند. ظهور نانولازرها برای نوآوری فناوری اطلاعات و مطالعه تعامل بین نور و ماده در شرایط شدید اهمیت بسیار زیادی دارد.
3. شکستن حد پراش نوری
بیش از 30 سال پس از اختراع لیزر ، با پیشرفت فناوری میکرو ماشین سازی و درک عمیق تر از تحقیقات فیزیک لیزر و دستگاه های لیزر ، انواع مختلفی از لیزرهای میکرو هادی ساز یکی پس از دیگری از جمله لیزرهای میکرو دیسک توسعه داده شده است. ، لیزرهای نقص کریستالی فوتونیک و لیزرهای نانوسیم. در سال 1992 ، آزمایشگاه های بل در ایالات متحده با موفقیت اولین لیزر میکرو دیسک را با استفاده از حالت گالری Whispering در میکرو دیسک متوجه شدند تا نور به طور مکرر در میکرو دیسک منعکس شود ، بازخورد رزونانس ایجاد کرده و به لیزینگ برسد. در سال 1999 ، انستیتوی فناوری کالیفرنیا در ایالات متحده با معرفی نقص نقطه در کریستال های فوتونیک دو بعدی برای محدود کردن نور ، اولین لیزر نقص کریستال فوتونیک را تحقق بخشید. در سال 2001 ، دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی ، برای اولین بار با استفاده از چهره انتهایی نانوسیم به عنوان بازتابنده ، با موفقیت لیزرهای نانوسیم نیمه هادی را متوجه شد. این لیزرها اندازه ویژگی را به ترتیب یک طول موج خلاء کاهش می دهند ، اما به دلیل محدودیت های محدودیت پراش نوری ، این لیزرها بر اساس تشدید کننده های دی الکتریک برای کوچکتر شدن دشوار است.
در هندسه ، طول سمت راست زاویه ای یک مثلث راست کمتر از طول هیپوتنوش است. در مقیاس میکروسکوپی ، برای شکستن حد پراش ، طول دو طرف زاویه دار سمت راست باید بیشتر از هیپوتنوز باشد. در سال 2009 ، سه تیم در جهان برای اولین بار متوجه نانولازرهای پلاسمونی شدند که از حد پراش نوری شکستند. در میان آنها ، تیم دانشگاه کالیفرنیا ، برکلی و دانشگاه پکینگ متوجه یک نانولازر پلاسمونی مبتنی بر یک ساختار نانوسیم نیمه هادی یک بعدی-انسداد-فلزی شدند. تیم دانشگاه فناوری ایندوون در هلند و دانشگاه ایالتی آریزونا در ایالات متحده یک نانولازر پلاسمونی را بر اساس یک ساختار صفحه مسطح سه لایه فلزی-هادی فلزی ایجاد کردند. تیم دانشگاه ایالتی نورفولک و دانشگاه پوردو در ایالات متحده یک نانولازر پلاسمونیک ساختار پوسته را بر اساس یک پوسته متوسط افزایش یافته فلزی بر اساس رزونانس پلاسمون سطح موضعی نشان داد.
به عبارت دیگر ، با معرفی واحدهای خیالی در معادله پراکندگی ، دانشمندان در واقع یک مثلث ویژه با یک طرف زاویه دار راست طولانی تر از هیپوتنوژن ساختند. این مثلث خاص است که به ما امکان می دهد از نظر جسمی به بومی سازی میدان نور قوی تر دست یابیم.
پس از گذشت بیش از 10 سال از توسعه ، نانولازرهای پلاسمون ویژگی های بسیار خوبی مانند حجم حالت بسیار کوچک ، سرعت مدولاسیون Ultrafast و مصرف کم انرژی را نشان داده اند. با این حال ، در مقایسه با مواد دی الکتریک ، اگرچه اثر پلاسمون میدان نور را با نوسان جمعی الکترونهای آزاد در فلزات برای دستیابی به بومی سازی میدان نور قوی تر زوج می کند ، این اتصال همچنین ضررهای ذاتی اهمی را معرفی می کند و منجر به تولید گرما می شود که به نوبه خود باعث افزایش قدرت دستگاه می شود مصرف و زمان انسجام آن را محدود می کند.
در سال 2024 ، تیم دانشگاه پکینگ یک معادله پراکندگی تکینگی جدید را پیشنهاد کرد و ویژگی های پراکندگی نانوانتن تمام دی الکتریک را نشان داد. با تعبیه نانوانتن Bow-Tie در ساختار نانوذرات گوشه ای که توسط تیم دانشگاه پکن پیشنهاد شده است ، یک نانولازر دی الکتریک تکینگی که محدودیت پراش نوری را می شکند برای اولین بار در یک سیستم دی الکتریک تحقق یافت. این طرح ساختاری اجازه می دهد تا میدان نور به شدت فشرده شود و از نظر تئوری می تواند به یک حجم حالت بی نهایت کوچک برسد ، که بسیار کوچکتر از حد پراش نوری است. علاوه بر این ، ساختار پیشرفته نانوذرات گوشه ای ، ظرفیت ذخیره سازی میدان نور را بیشتر می کند و به نانولازر تکینگی یک فاکتور کیفیت فوق العاده بالا و فاکتور کیفیت حفره نوری آن (یعنی نسبت انرژی ذخیره شده در حفره نوری می دهد. به انرژی از دست رفته در هر چرخه) می تواند بیش از 1 میلیون نفر باشد.
تیم دانشگاه پکن بیشتر فناوری آرایه فرکانس نوری را بر اساس نانولازرها توسعه داد. آنها با موفقیت با کنترل دقیق طول موج و فاز هر فاز هر نانولازر در آرایه لیزر ، پتانسیل قدرتمندی از فناوری لازینگ منسجم را نشان دادند. به عنوان مثال ، این تیم از این فناوری برای دستیابی به آرایه فرکانس نوری در الگوهای مانند "P" ، "K" ، "U" ، "چین" و "چین" استفاده کرد و چشم انداز برنامه های گسترده خود را در زمینه های فوتونیک یکپارچه نشان داد. ، آرایه های منبع نور میکرو نانو و ارتباطات نوری. (نویسنده: Ma Renmin ، استاد دانشکده فیزیک ، دانشگاه پکن)
