Лазери широко використовуються в комунікаціях, медичній візуалізації та хірургії, побутовій електроніці та інших галузях, і глибоко змінили життя людей. Останніми роками, щоб зробити розмір лазерів меншими, вчені розробили нанолазири, які не тільки сприяють мініатюризації та інтеграції фотонних пристроїв, але й відкривають нові шляхи для вивчення взаємодії між світлом та речовиною в екстремальних умовах. Ця стаття починається з покоління світла і заглиблює вас до того, щоб дослідити світ нанолази.
У галузі інформаційних технологій транзистори та лазери є двома основними компонентами. Мініатюризація транзисторів сприяла швидкому розвитку електронних мікросхем і породила відомий закон Мура - кількість транзисторів, які можна розмістити в інтегрованій схемі, подвоїться кожні 18 місяців або близько того. Ця тенденція підштовхнула розмір найсучасніших транзисторів на рівень нанометра. В даний час понад 10 мільярдів транзисторів можуть бути інтегровані в мобільний телефон та комп'ютерні мікросхеми, які використовуються громадськістю, надаючи цим пристроям потужні можливості обробки інформації та сприяючи прибуттям цифрової та інтелектуальної епохи. У той же час мініатюризація лазерів викликала революцію у фотонних технологіях. Після більш ніж півстоліття розвитку мініатюрні напівпровідникові лазери широко використовуються в комунікаціях, зберіганні даних, медичній візуалізації та хірургії, зондуванні та вимірюванні, побутовому електроніці, виробництві добавок, дисплея та освітлення та інших полів.
Масштабування лазерів складніше, ніж транзистори, оскільки вони покладаються на дуже різні мікроскопічні частинки-транзитори, покладаються на електрони, тоді як лазери покладаються на фотони. У видимих і майже інфрачервоних смугах довжини хвилі фотона на три порядки вище, ніж довжини хвиль електронів у транзисторах. За умови дифракційної межі, мінімальний об'єм режиму, в який можна вичавити ці фотони, становить приблизно дев'ять порядків, або мільярд разів, більший, ніж у електронів у транзисторі. Основним викликом у створенні нанорозмірних лазерів є те, як пробити межу дифракції та "стиснути" об'єм фотонів до межі. Подолання цієї проблеми не тільки суттєво сприятиме розробці фотонних технологій, але й призведе до багатьох нових сценаріїв додатків. Уявіть, що коли фотони, як електрони, можуть бути гнучко маніпулювати за шкалою нанометра, ми можемо використовувати світло для безпосереднього спостереження за тонкою структурою ДНК, а також ми можемо створити масштабні оптоелектронні інтегровані мікросхеми, а швидкість та ефективність обробки інформації буде бути значно вдосконаленим.
В останні роки, через поверхневі плазмони та механізми локалізації поля сингулярного точки, об'єм лазерного режиму перевищив оптичну межу дифракції та увійшов до нанорозмірного масштабу, тим самим породжуючи нанолази.
1. Відкрийте яскраві двері, щоб вивчити невідоме
У природі світло генерується двома способами: спонтанне випромінювання та стимульоване випромінювання.
Спонтанне випромінювання - чудовий процес. Навіть у повній темряві і без будь -яких зовнішніх фотонів речовина може випромінювати світло самостійно. Це тому, що вакуум не справді "порожній". Він наповнений крихітними коливаннями енергії, що називається вакуумною нульовою точкою енергії. Вакуумна нульова точка енергія може призвести до того, що збуджена речовина звільняє фотони. Наприклад, освітлення свічки виробляє свічки. Історію людського використання вогню можна простежити більше 1 мільйона років тому. Пожежа принесла світло і тепла для людських предків і відкрила главу цивілізації. Полум'я та лампи розжарювання - це спонтанні джерела випромінювання. Вони спалюють або нагрівають, щоб поставити електрони у високоенергетичний стан, а потім вивільняють фотони під дією вакуумної нульової точки енергії для висвітлення світу.
Стимульоване випромінювання виявляє більш глибоку взаємодію між світлом і речовиною. Коли зовнішній фотон проходить через речовину у збудженому стані, він викликає речовину, щоб звільнити новий фотон, який точно такий же, як і інцидентний фотон. Цей "скопійований" фотон робить легкий промінь дуже спрямованим і послідовним, що є лазером, з яким ми знайомі. Незважаючи на те, що винахід лазера менше століття тому, він швидко був інтегрований у суспільне життя, що спричиняє зміни землі.
Винахід лазера відкрив яскраві двері для людства, щоб вивчити невідоме. Це забезпечує нам потужні інструменти і значно сприяє розвитку сучасної цивілізації. У галузі інформації та комунікації лазери зробили швидкісну волоконно-оптичну комунікацію реальністю та зробили можливим глобальне взаємозв'язок. У медичній допомозі лазерна хірургія характеризується високою точністю та мінімально інвазивністю, що забезпечує пацієнтам з більш безпечними та ефективнішими методами лікування. У промисловому виробництві лазерне різання та зварювання підвищує ефективність виробництва та точність продукції, що дозволяє людям створювати більш складні машини та обладнання. У наукових дослідженнях лазери є ключовими інструментами для виявлення гравітаційних хвиль та квантових інформаційних технологій, що допомагає вченим розкрити таємниці Всесвіту.
Від лазерного друку та медичної краси у повсякденному житті до контрольованого ядерного синтезу, лазерного радіолокатора та лазерної зброї в передових технологіях, лазери є скрізь і мають глибокий вплив на розвиток світу. Це не тільки змінило наш спосіб життя, але й розширило здатність людини розуміти та перетворювати природу.
2. Потужні інструменти для розуміння та використання природи
Натхненний законом про випромінювання Чорного тіла Планка, Ейнштейн запропонував концепцію стимульованого випромінювання в 1917 році, і це відкриття заклало основу для винаходу лазерів. У 1954 році американські вчені Таунс та інші вперше повідомили про мікрохвильовий генератор, реалізований стимульованим випромінюванням, а саме мікрохвильовим мазером. Вони використовували збуджені молекули аміаку як посилення носія і використовували мікрохвильову резонансну порожнину довжиною близько 12 см, щоб забезпечити зворотній зв'язок, реалізуючи мікрохвильову печі з довжиною хвилі близько 12,56 см. Мікрохвильова мазер розглядається як попередник лазера, але лазер може виробляти узгоджене випромінювання на більш високій частоті, з такими перевагами, як менший об'єм, більша інтенсивність та більш висока інформація, що переносить.
У 1960 році американський вчений Майман винайшов перший лазер. Він використовував рубіновий стрижень приблизно 1 см, як середній засіб для посилення, а два кінці стрижня були срібними, щоб діяти як відбивачі, щоб забезпечити оптичний зворотний зв'язок. Під збудженням флеш -лампи пристрій виробляв лазерний вихід із довжиною хвилі 694,3 нанометрів. Варто зазначити, що розмір мікрохвильової печі знаходиться на тому ж порядку, що і його довжина хвилі. Згідно з цим пропорційним відношенням, розмір лазера повинен становити близько 700 нанометрів. Однак розмір першого лазера був набагато більшим за це, більш ніж на 4 порядки. Покинувши лазер до розміру, порівнянного з довжиною хвилі, знадобилося близько 30 років, і пройшло півстоліття, щоб пробити межу довжини хвилі та реалізувати глибокі лазери довжини.
Порівняно зі звичайними джерелами світла, радіаційна енергія мікрохвильових масер та лазерів концентрується у дуже вузькому діапазоні частот. Тому ці два винаходи можна розглядати як локалізацію електромагнітних хвиль у частотному просторі за допомогою стимульованого випромінювання. Стимульоване випромінювання також може бути використане для локалізації електромагнітних хвиль у часі, імпульсу та простору. Локалізуючи електромагнітні хвилі в цих розмірах, джерела лазерного світла можуть досягти надзвичайно стійких коливань частоти, надкоротних імпульсів, високої спрямованості та надзвичайно малих обсягів режиму, що дозволяє нам точно виміряти час, спостерігати за швидким рухом, передавати інформацію та енергію на великих відстанях , досягти мініатюризації пристрою та отримати більш високу роздільну здатність візуалізації.
З моменту появи лазерів люди постійно проводять сильнішу локалізацію світлових полів у таких розмірах, як частота, час, імпульс та простір, сприяння швидкому розвитку лазерних фізичних досліджень та лазерних пристроїв, що робить лазери потужним інструментом для розуміння та використання природи .
У частотному вимірі, завдяки високоякісній порожнині, контролю зворотного зв'язку та ізоляції навколишнього середовища, лазери можуть підтримувати надзвичайно стабільні частоти, сприяючи проривам у багатьох великих наукових дослідженнях, таких як конденсація Бозе-Ейнштейна (2001 Нобелівська премія з фізики), точна лазерна спектроскопія (2001 2005 Нобелівська премія з фізики) та Виявлення гравітаційної хвилі (Нобелівська премія 2017 року з фізики).
У часовому вимірі технологія блокування режимів та технологія генерації гармонійної високого порядку роблять ультрафортні лазерні імпульси реальністю. Через екстремальну локалізацію, аттосекундні лазери можуть виробляти легкі імпульси, які тривають лише приблизно один оптичний цикл. Цей прорив дозволяє спостерігати за ультрашвидкими процесами, такими як рух електронів у внутрішньому шарі атомів, і виграв Нобелівську премію з фізики 2023 року.
У вимірі імпульсу розвиток одномодових лазерів з великим районом досяг високого ступеня локалізації світлого поля в просторі імпульсу, зробивши лазерний промінь високопоказати. Очікується, що отриманий сильно колімований лазер сприятиме розвитку міжстельних високошвидкісних оптичних комунікацій міжстійних міжміських відстаней.
У просторовому вимірі введення поверхневих плазмонів та механізмів локалізації світла сингулярності дозволяє об'єму лазерного режиму пробитися через оптичну межу дифракції та досягти шкали менше (λ/2n) 3 (де λ - довжина хвилі вільного простору світла світла і n - показник заломлення матеріалу), таким чином народжуючи нанолазири. Поява наноласників має далекосяжне значення для інноваційних інформаційних технологій та вивчення взаємодії між світлом та речовиною в екстремальних умовах.
3. Порушення межі оптичної дифракції
Більше 30 років після винаходу лазера, з просуванням технології мікромобільного мікросхеми та глибшим розумінням лазерних досліджень фізики та лазерних пристроїв, різні типи мікросеміпровідникових лазерів були розроблені один за одним, включаючи мікро-диски лазери мікро-дисків , фотонні кристалічні дефекти лазери та лазери нановіру. У 1992 році Bell Laboratories у Сполучених Штатах успішно реалізували перший мікро-дисковий лазер, використовуючи режим галереї шепоту в мікро-диску, щоб світло неодноразово відбиватися в мікро-диску, генерувати резонансний зворотній зв'язок та досягти лазування. У 1999 році Каліфорнійський технологічний інститут у Сполучених Штатах реалізував перший фотонний кристалічний дефект, вводячи дефекти точок у двовимірних фотонних кристалах для обмеження світла. У 2001 році Каліфорнійський університет, Берклі, успішно зрозумів напівпровідникові лазери вперше, використовуючи кінцеве обличчя нановіру як відбивача. Ці лазери зменшують розмір функції до порядку однієї довжини хвилі вакууму, але через обмеження оптичної межі дифракції, ці лазери, засновані на діелектричних резонаторах, важко ще більше скоротити.
У геометрії довжина правої сторони правого трикутника менша, ніж довжина гіпотенузи. У мікроскопічній шкалі, щоб порушити межу дифракції, довжина двох прямокутних сторін повинна бути більшою, ніж гіпотенуза. У 2009 році три команди у світі вперше зрозуміли плазмонічні нанолазири, що пробивались через межу оптичної дифракції. Серед них команда Каліфорнійського університету, Берклі та Пекінського університету реалізувала плазмонічний наноласер на основі одновимірної напівпровідникової нановопроводної структури; Команда технологічного університету Ейндховена в Нідерландах та Державному університеті Арізони в США розробила плазмонічний наноласер на основі тришарової плоскої структури плоскої пластини метал-метал-металу; Команда Норфолкського державного університету та Університету Пердю в США продемонструвала плазмонічний нанолазер структури ядра-оболонки на основі металевого ядра, вкладеного в середній оболонку, на основі локалізованого резонансу поверхневого плазмону.
Іншими словами, вводячи уявні одиниці в рівняння дисперсії, вчені фактично побудували спеціальний трикутник з правою стороною довше, ніж гіпотенуза. Саме цей спеціальний трикутник дозволяє нам фізично досягти більш сильної локалізації світла.
Після більш ніж 10 років розвитку нанолазири плазмона продемонстрували чудові характеристики, такі як надзвичайно малий об'єм режиму, швидкість ультрашвидкої модуляції та низьке споживання енергії. Однак, порівняно з діелектричними матеріалами, хоча ефект плазмона поєднує світло -поле з колективним коливанням вільних електронів у металах для досягнення більш сильної локалізації світла, ця зв'язок також вводить властиві омічні втрати, що призводить до генерації тепла, що, в свою чергу, збільшує потужність пристрою пристрою споживання та обмежує його час узгодженості.
У 2024 році команда Пекінського університету запропонувала нове рівняння дисперсійної сингулярності, виявляючи дисперсійні характеристики всієї діелектричної наноантенни. Вставляючи наноантенну в бук-краватці в кутову структуру наноокавіозної роботи, запропоновану командою університету Пекінга, вперше в діелектричній системі було реалізовано діелектричний нанолазер, яка порушує оптичну ліміт дифракції. Ця структурна конструкція дозволяє стиснути світло світла до крайності, і теоретично може досягти нескінченно невеликого об'єму режиму, який набагато менший, ніж оптична межа дифракції. Крім того, витончена структура кутової наноокавіозної експлуатації ще більше підвищує зберігання світлого поля, надаючи нанолазиру сингулярності ультра високий коефіцієнт якості та його оптичну коефіцієнт якості порожнини (тобто співвідношення енергії, що зберігається в оптичній порожнині до втрати енергії за цикл) може перевищувати 1 мільйон.
Команда Пекінського університету надалі розробила технологію оптичної частотної поетапної масиви на основі нанолази. Вони успішно продемонстрували потужний потенціал масиву когерентної технології лазування, точно контролюючи довжину хвилі та фазу кожного нанолазира в лазерному масиві. Наприклад, команда використовувала цю технологію для досягнення оптичного масиву частоти, узгодженого в моделях, таких як "P", "K", "U", "Китай" та "Китай", демонструючи свої широкі перспективи застосування в галузі інтегрованої фотоніки , мікро-нано-джерела світла та оптичні комунікації. (Автор: Ма Ренмін, професор школи фізики, Пекінський університет)
