Lasery se široce používají v komunikaci, lékařském zobrazování a chirurgii, spotřební elektronice a dalších oborech a hluboce změnily životy lidí. V posledních letech se vědci vyvinuli na nanolasery, které nejenže dále podporují miniaturizaci a integraci fotonických zařízení, ale také otevírají nové cesty pro studium interakce mezi světlem a hmotou za extrémních podmínek za účelem zmenšení velikosti laserů. Tento článek začíná generováním světla a vede vás k prozkoumání světa nanolaserů do hloubky.
V oblasti informačních technologií jsou tranzistory a lasery dvě základní komponenty. Miniaturizace tranzistorů podpořila rychlý vývoj elektronických čipů a vytvořila známý Mooreův zákon - počet tranzistorů, které lze přizpůsobit na integrovaném obvodu, se každých 18 měsíců zdvojnásobí. Tento trend posunul velikost nejpokročilejších tranzistorů na úroveň nanometru. V současné době může být do mobilního telefonu a počítačových čipů používaných veřejností integrováno více než 10 miliard tranzistorů, což těchto zařízením poskytuje výkonné možnosti zpracování informací a podporuje příchod digitální a inteligentní éry. Zároveň miniaturizace laserů vyvolala revoluci ve fotonické technologii. Po více než půl století vývoje byly miniaturní polovodičové lasery široce používány v komunikaci, ukládání dat, lékařském zobrazování a chirurgii, snímání a měření, spotřební elektronice, výrobě aditiv, displeji a osvětlení a dalších polích.
Měřítko laserů je obtížnější než tranzistory, protože se spoléhají na velmi odlišné mikroskopické transistory částic se spoléhají na elektrony, zatímco lasery se spoléhají na fotony. Ve viditelných a téměř infračervených pásech jsou fotonové vlnové délky o tři řády vyšší než vlnové délky elektronů v tranzistorech. S výhradou difrakčního limitu je minimální objem režimu, do kterého lze tyto fotony vymačkat, asi devět řádových velikostí, nebo miliardakrát, větší než u elektronů v tranzistoru. Hlavní výzvou při stavbě laserů nanočástic je, jak prorazit difrakční limit a „komprimovat“ objem fotonů na limit. Překonání tohoto problému nejen významně podporuje rozvoj fotonické technologie, ale také povede k mnoha novým scénářem aplikací. Představte si, že když fotony, jako jsou elektrony, mohou být flexibilně manipulovány v nanometrovém měřítku, můžeme použít světlo k přímému pozorování jemné struktury DNA a můžeme také vytvořit rozsáhlé optoelektronické integrované čipy a rychlost a efektivita zpracování informací vůle bude být výrazně vylepšen.
V posledních letech, prostřednictvím povrchových plazmonů a mechanismů lokalizace singulárního bodového světelného pole, objem laserového režimu překročil optický difrakční limit a vstoupil do nanočástice, čímž vedl k vzniku nanolaserů.
1. Otevřete jasné dveře a prozkoumejte neznámé
V přírodě je světlo generováno dvěma způsoby: spontánní záření a stimulované záření.
Spontánní záření je skvělý proces. I v úplné tmě a bez jakýchkoli vnějších fotonů může hmota emitovat světlo samostatně. Je to proto, že vakuum není skutečně „prázdné“. Je plná drobných energetických fluktuací, nazývaných vakuová nulová bodová energie. Vakuová energie nulové body může způsobit uvolnění vzrušení. Například osvětlení svíčky produkuje svíčku. Historie lidského používání ohně lze vysledovat až před více než 1 milion let. Oheň přinesl lidským předkům světlo a teplo a otevřel kapitolu civilizace. Plameny a žárovky jsou spontánní zdroje záření. Hoří nebo teplo, aby se elektrony daly do stavu s vysokou energií, a poté uvolňují fotony pod působením energie vakuové nulové body, aby osvětlily svět.
Stimulované záření odhaluje hlubší interakci mezi světlem a hmotou. Když vnější foton prochází látkou v vzrušeném stavu, spustí látku k uvolnění nového fotonu, který je přesně stejný jako dopadající foton. Tento „zkopírovaný“ foton dělá světelný paprsek vysoce směrem a konzistentním, což je laser, který známe. Ačkoli je vynález laseru před méně než stoletím, byl rychle integrován do veřejného života a přinesl změny otřesení Země.
Vynález laseru otevřel pro lidstvo jasné dveře, aby prozkoumal neznámé. Poskytuje nám výkonné nástroje a velmi podporuje rozvoj moderní civilizace. V oblasti informací a komunikace lasery učinily vysokorychlostní komunikaci s optickými vlákny realitou a umožnily globální propojení. V lékařské péči je laserová chirurgie charakterizována vysokou přesností a minimálně invazivitou a poskytuje pacientům bezpečnější a účinnější léčebné metody. V průmyslovém výrobě laserové řezání a svařování zlepšují efektivitu výroby a přesnost produktu, což lidem umožňuje vytvářet sofistikovanější strojní zařízení a vybavení. Ve vědeckém výzkumu jsou lasery klíčovými nástroji pro detekci gravitačních vln a kvantové informační technologie, které vědcům pomáhají odhalit záhady vesmíru.
Od laserového tisku a lékařské krásy v každodenním životě až po kontrolovanou jadernou fúzi, laserové radarové a laserové zbraně v špičkové technologii jsou lasery všude a mají hluboký dopad na rozvoj světa. Změnil nejen náš způsob života, ale také rozšířil schopnost lidských bytostí porozumět a transformovat přírodu.
2. výkonné nástroje k porozumění a využití přírody
Einstein, inspirovaný Planckovým zákonem o černém zákoně, navrhl koncept stimulovaného záření v roce 1917 a tento objev položil základ pro vynález laserů. V roce 1954 američtí vědci Townes a další poprvé hlásili mikrovlnný oscilátor realizovaný stimulovaným zářením, jmenovitě mikrovlnným maserem. Použili vzrušené molekuly amoniaku jako mediální média a použili mikrovlnnou rezonanční dutinu asi 12 cm dlouhé, aby poskytli zpětnou vazbu, a uvědomili si, že mikrovlnné masers s vlnovou délkou asi 12,56 cm. Mikrovlnný maser je považován za předchůdce laseru, ale laser může produkovat koherentní záření při vyšší frekvenci, s výhodami, jako je menší objem, vyšší intenzita a vyšší informační kapacita.
V roce 1960 vynalezl americký vědec Maiman první laser. Použil rubínovou tyč asi 1 cm, když bylo ziskové médium a dva konce tyče byly stříbrné, aby fungovaly jako reflektory, aby poskytovaly optickou zpětnou vazbu. Pod excitací bleskové lampy vytvořilo zařízení laserový výstup s vlnovou délkou 694,3 nanometrů. Stojí za zmínku, že velikost mikrovlnné hmoty je ve stejném pořadí velikosti jako jeho vlnová délka. Podle tohoto proporcionálního vztahu by velikost laseru měla být asi 700 nanometrů. Velikost prvního laseru však byla mnohem větší než tento, o více než 4 řády. Zmenšení laseru na velikost srovnatelné s vlnovou délkou trvalo asi 30 let a trvalo půl století, než prolomil limit vlnové délky a realizoval hluboké lasery podlahové délky.
Ve srovnání s běžnými zdroji světla je radiační energie mikrovlnných hmot a laserů koncentrována ve velmi úzkém frekvenčním rozsahu. Tyto dva vynálezy lze proto považovat za lokalizační elektromagnetické vlny ve frekvenčním prostoru prostřednictvím stimulovaného záření. Stimulované záření lze také použít k lokalizaci elektromagnetických vln v čase, hybnosti a rozměrech prostoru. Lokalizací elektromagnetických vln v těchto rozměrech mohou laserové světelné zdroje dosáhnout extrémně stabilních kmitočtových oscilací, velmi krátkých impulsů, vysoké směrovosti a extrémně malým objemy režimu, což nám umožňuje přesně měřit čas, pozorovat rychlý pohyb a energii na velké vzdálenosti na velké vzdálenosti , dosáhnout miniaturizace zařízení a získejte vyšší rozlišení zobrazování.
Od příchodu laserů lidé neustále sledují silnější lokalizaci světelných polí v rozměrech, jako je frekvence, čas, hybnost a prostor, propagace rychlého rozvoje výzkumu laserové fyziky a laserových zařízení, což z laserů dělá mocný nástroj pro porozumění a využívání přírody .
Ve frekvenční dimenzi mohou prostřednictvím vysoce kvalitní dutiny, kontroly zpětné vazby a environmentální izolace udržovat extrémně stabilní frekvence a podporovat průlomy v mnoha hlavních vědeckých výzkumech, jako je kondenzace Bose-Einsteinu (Nobelova cena 2001 v fyzice), přesná laserová spektroskopie ( 2005 Nobelova cena za fyziku) a detekce gravitačních vln (2017 Nobelova cena ve fyzice).
V časové dimenzi je technologie blokování režimu a technologie vysokého řádu harmonická generace z ultrashort laserová impulzy realitou. Attosekundové lasery mohou prostřednictvím extrémní časové lokalizace produkovat světelné pulzy, které trvají pouze asi jeden optický cyklus. Tento průlom umožňuje pozorovat ultrarychlé procesy, jako je pohyb elektronů ve vnitřní vrstvě atomů, a vyhrál Nobelovu cenu 2023 ve fyzice.
V dimenzi hybnosti dosáhl vývoje velkých jednomodových laserů velkého rozsahu vysoký stupeň lokalizace světelného pole v prostoru hybnosti, díky čemuž byl laserový paprsek vysoce směrován. Očekává se, že výsledný vysoce kolimovaný laser bude podporovat vývoj mezihvězdné vysokorychlostní optické komunikace s ultra-dlouhou vzdáleností.
V prostorovém rozměru zavedení povrchových plazmonů a mechanismů lokalizace světelného pole singularity umožňuje, aby se objem laserového režimu prolomil optickou difrakční limit a dosáhl stupnice méně než (λ/2n) 3 (kde λ je vlnová délka světla volného vesmíru světla volného vesmíru světla volného vesmíru světla volného vesmíru. a n je index lomu materiálu), čímž se porodí nanolasery. Vznik nanolaserů má dalekosáhlý význam pro inovací informační technologie a studium interakce mezi světlem a hmotou za extrémních podmínek.
3. Přerušení optického difrakčního limitu
Více než 30 let po vynálezu laseru, s pokrokem v technologii mikromachiningu a hlubším porozuměním výzkumu laserové fyziky a laserových zařízení, byly vyvinuty různé typy mikrosemiconductor laserů, včetně laserů mikro-disk , fotonický krystalový defekční lasery a lasery nanowire. V roce 1992 si Bell Laboratories ve Spojených státech úspěšně realizoval první laser s mikrodiskem, pomocí režimu Whispering Gallery v mikro-disku, aby se světlo opakovaně odráželo v mikro-disku, generovalo rezonanční zpětnou vazbu a dosáhlo lasingu. V roce 1999 si kalifornský technologický institut ve Spojených státech uvědomil první laser defektů fotonického krystalu zavedením bodů bodových bodů do dvourozměrných fotonických krystalů pro omezení světla. V roce 2001 si Kalifornská univerzita v Berkeley poprvé uskutečnila polovodičové nanowire lasery poprvé pomocí koncové tváře nanowire jako reflektoru. Tyto lasery snižují velikost prvku na pořadí jediné vakuové vlnové délky, ale vzhledem k omezením optického difrakčního limitu jsou tyto lasery založené na dielektrických rezonátorech obtížné dále zmenšit.
V geometrii je délka pravé strany pravého trojúhelníku menší než délka hypotézy. V mikroskopickém měřítku, aby se rozbila difrakční limit, musí být délka dvou stran pravého úhlopříčky větší než hypotéza. V roce 2009 si tři týmy na světě poprvé uvědomily plazmonické nanolasery, které prorazily optickou difrakční limit. Mezi nimi si tým University of California, Berkeley a Peking University realizoval plazmonický nanolaser založený na jednorozměrné polovodičové nanowire-izolátorové kovové struktuře; Tým Eindhoven University of Technology v Nizozemsku a Arizonské státní univerzitě ve Spojených státech vyvinul plazmonický nanolaser založený na kovově-polovodičové kovové třívrstvé ploché destičce; Tým Norfolk State University a Purdue University ve Spojených státech prokázal strukturu jádro-skořápky plazmonický nanolaser založený na kovovém jádru zakořeněném ziskem středním skořápce na základě lokalizované povrchové plazmonové rezonance.
Jinými slovy, zavedením imaginárních jednotek do disperzní rovnice vědci ve skutečnosti postavili speciální trojúhelník s pravou stranou déle než hypotenos. Právě tento speciální trojúhelník nám umožňuje fyzicky dosáhnout silnější lokalizace světla pole.
Po více než 10 letech vývoje prokázaly plazmonové nanolasery vynikající charakteristiky, jako je extrémně objem malého režimu, ultrarychlé modulační rychlost a nízká spotřeba energie. Avšak ve srovnání s dielektrickými materiály, i když plazmonový efekt spojuje světelné pole s kolektivní oscilací volných elektronů v kovech, aby bylo dosaženo silnější lokalizace pole světla, tato vazba také zavádí vlastní ohmické ztráty, což vede k výrobě tepla, což zase zvyšuje výkon zařízení zařízení, což zase zvyšuje výkon zařízení zařízení spotřeba a omezuje jeho koherenci.
V roce 2024 tým Peking University navrhl novou disperzní rovnici singularity, která odhalila disperzní charakteristiky all-dielektrické motýlky nanoantenna. Vložením motýlkové nanoantenny do rohové struktury nanokavity navržené týmem Peking University byl dielektrický nanolaser, který narušuje optický difrakční limit, realizován poprvé poprvé v dielektrickém systému. Tento strukturální design umožňuje komprimování světelného pole do extrému a teoreticky může dosáhnout nekonečně malého objemu režimu, který je mnohem menší než optický difrakční limit. Kromě toho sofistikovaná struktura rohové nanokavitace dále zvyšuje skladovací kapacitu světelného pole, což dává nanolaser singularity ultra vysoký faktor kvality a jeho faktor kvality optické dutiny (tj. Poměr energie uložené v optické dutině na energii ztracenou na cyklus) může překročit 1 milion.
Tým Peking University dále vyvinul technologii optického frekvenčního fázového pole založenou na nanolaserech. Úspěšně prokázali silný potenciál technologie koherentního koherentního lasingu přesně ovládáním lasingové vlnové délky a fáze každého nanolaseru v laserovém poli. Například tým použil tuto technologii k dosažení koherentního lasingu optického frekvenčního pole ve vzorcích, jako je „P“, „K“, „U“, „Čína“ a „Čína“, což prokazuje své široké vyhlídky na aplikaci v polích integrované fotoniky , mikro-nano světelné zdrojové pole a optická komunikace. (Autor: Ma Renmin, profesor Physics School of Physics, Peking University)
