Lasere er mye brukt innen kommunikasjon, medisinsk avbildning og kirurgi, forbrukerelektronikk og andre felt, og har dypt forandret folks liv. De siste årene, for å gjøre størrelsen på lasere mindre, har forskere utviklet nanolasere, som ikke bare fremmer miniatyrisering og integrering av fotoniske enheter, men også åpner for nye baner for å studere samspillet mellom lys og materie under ekstreme forhold. Denne artikkelen starter med generering av lys og tar deg for å utforske nanolaserens verden i dybden.
I løpet av informasjonsteknologi er transistorer og lasere to kjernekomponenter. Miniatyriseringen av transistorer har fremmet den raske utviklingen av elektroniske brikker og skapt den velkjente Moores lov - antall transistorer som kan imøtekommes på en integrert krets vil dobles hver 18. måned. Denne trenden har presset størrelsen på de mest avanserte transistorene til nanometernivået. For tiden kan mer enn 10 milliarder transistorer integreres i mobiltelefonen og datamaskinbrikker som brukes av publikum, og gi disse enhetene kraftige informasjonsbehandlingsmuligheter og fremme ankomsten av den digitale og intelligente tiden. Samtidig har miniatyriseringen av lasere utløst en revolusjon innen fotonisk teknologi. Etter mer enn et halvt århundre med utvikling, har miniatyr -halvlederlasere blitt mye brukt i kommunikasjon, datalagring, medisinsk avbildning og kirurgi, sensing og måling, forbrukerelektronikk, additiv produksjon, visning og belysning og andre felt.
Skaleringslasere er vanskeligere enn transistorer fordi de er avhengige av veldig forskjellige mikroskopiske partikler-transistorer, er avhengige av elektroner, mens lasere er avhengige av fotoner. I de synlige og nesten infrarøde båndene er fotonbølgelengder tre størrelsesordener høyere enn bølgelengdene til elektroner i transistorer. Med forbehold om diffraksjonsgrensen, er minimumsmodusvolumet som disse fotonene kan klemmes, omtrent ni størrelsesordrer, eller en milliard ganger, større enn elektronene i en transistor. Kjerneutfordringen med å bygge nanoskala -lasere er hvordan du kan bryte gjennom diffraksjonsgrensen og "komprimere" volumet av fotoner til grensen. Å overvinne dette problemet vil ikke bare fremme utviklingen av fotonisk teknologi, men vil også gi opphav til mange nye applikasjonsscenarier. Se for deg at når fotoner, som elektroner, kan manipuleres fleksibelt i nanometerskalaen, kan vi bruke lys for å direkte observere den fine strukturen til DNA, og vi kan også lage storskala optoelektroniske integrerte brikker, og informasjonsbehandlingshastigheten og effektiviteten vil bli kraftig forbedret.
De siste årene, gjennom overflateplasmoner og lokaliseringsmekanismer for entallpunkt, har lasermodusvolumet overskredet den optiske diffraksjonsgrensen og kommet inn i nanoskalaen, og dermed gitt opphav til nanolasere.
1. Åpne den lyse døren for å utforske det ukjente
I naturen genereres lys på to måter: spontan stråling og stimulert stråling.
Spontan stråling er en fantastisk prosess. Selv i fullstendig mørke og uten eksterne fotoner, kan materie avgi lys på egen hånd. Dette er fordi vakuumet ikke virkelig er "tomt". Den er fylt med små energisvingninger, kalt vakuum nullpunktsenergi. Vakuum nullpunktsenergi kan forårsake spent materie for å frigjøre fotoner. For eksempel produserer det å tenne et stearinlys. Historien om menneskelig bruk av ild kan spores tilbake til mer enn 1 million år siden. Brann brakte lys og varme til menneskelige forfedre og åpnet sivilisasjonens kapittel. Flammer og glødelamper er begge spontane strålingskilder. De brenner eller varmer for å sette elektroner i en høyenergi-tilstand, og frigjør deretter fotoner under virkningen av vakuum nullpunktsenergi for å belyse verden.
Stimulert stråling avslører et dypere samspill mellom lys og materie. Når et eksternt foton passerer gjennom et stoff i en begeistret tilstand, utløser det stoffet til å frigjøre et nytt foton som er nøyaktig det samme som hendelsesfotonet. Dette "kopierte" fotonet gjør lysstrålen svært retningsbestemt og konsistent, som er laseren vi er kjent med. Selv om oppfinnelsen av laseren er for mindre enn et århundre siden, har den raskt blitt integrert i det offentlige liv, noe som fører til jordskakende endringer.
Oppfinnelsen av laseren har åpnet en lys dør for menneskeheten for å utforske det ukjente. Det gir oss kraftige verktøy og fremmer utviklingen av moderne sivilisasjon i stor grad. Informasjon og kommunikasjon har lasere gjort høyhastighets fiberoptisk kommunikasjon til virkelighet og gjort global sammenkobling mulig. Ved medisinsk behandling er laserkirurgi preget av høy presisjon og minimalt invasivitet, noe som gir pasienter tryggere og mer effektive behandlingsmetoder. I industriell produksjon forbedrer laserskjæring og sveising produksjonseffektivitet og produktpresisjon, slik at folk kan lage mer sofistikert maskiner og utstyr. I vitenskapelig forskning er lasere viktige verktøy for gravitasjonsbølgedeteksjon og kvanteinformasjonsteknologi, og hjelper forskere av å avdekke universets mysterier.
Fra laserutskrift og medisinsk skjønnhet i dagliglivet til kontrollert kjernefusjon, laserradar og laservåpen i banebrytende teknologi, lasere er overalt og har en dyp innvirkning på utviklingen av verden. Det har ikke bare endret vår livsstil, men utvidet også menneskers evne til å forstå og transformere naturen.
2. Kraftige verktøy for å forstå og utnytte naturen
Inspirert av Plancks Blackbody Radiation Law, foreslo Einstein begrepet stimulert stråling i 1917, og denne oppdagelsen la grunnlaget for oppfinnelsen av lasere. I 1954 rapporterte American Scientists Townes og andre først en mikrobølgeovnoscillator realisert ved stimulert stråling, nemlig en mikrobølgeovn. De brukte begeistret ammoniakkmolekyler som gevinst medier og brukte et mikrobølgeovn resonanshulrom omtrent 12 cm lang for å gi tilbakemelding, og realiserte mikrobølgemasere med en bølgelengde på omtrent 12,56 cm. Masermaseren blir sett på som forgjengeren til laseren, men laseren kan produsere koherent stråling med en høyere frekvens, med fordeler som mindre volum, høyere intensitet og høyere informasjonsbærekapasitet.
I 1960 oppfant den amerikanske forskeren Maiman den første laseren. Han brukte en rubinstang omtrent 1 cm lang som forsterkningsmediet, og de to endene av stangen ble sølvbelagt for å fungere som reflekser for å gi optisk tilbakemelding. Under eksitering av en blitzlampe produserte enheten en laserutgang med en bølgelengde på 694,3 nanometer. Det er verdt å merke seg at størrelsen på mikrobølgeovn er på samme størrelsesorden som bølgelengde. I henhold til dette proporsjonale forholdet, bør størrelsen på laseren være omtrent 700 nanometer. Størrelsen på den første laseren var imidlertid mye større enn dette, med mer enn 4 størrelsesordrer. Det tok omtrent 30 år å krympe laseren til en størrelse som kan sammenlignes med bølgelengden, og det tok et halvt århundre å bryte gjennom bølgelengdegrensen og realisere dype bølgelengde -lasere.
Sammenlignet med vanlige lyskilder, er strålingsenergien til mikrobølgemasere og lasere konsentrert i et veldig smalt frekvensområde. Derfor kan disse to oppfinnelsene betraktes som lokalisering av elektromagnetiske bølger i frekvensrom gjennom stimulert stråling. Stimulert stråling kan også brukes til å lokalisere elektromagnetiske bølger i tid, momentum og romdimensjoner. Ved å lokalisere elektromagnetiske bølger i disse dimensjonene, kan laserlyskilder oppnå ekstremt stabile frekvenssvingninger, ultra-kortpulser, høy retning og ekstremt små modusvolumer, noe som gjør oss i stand til å måle tid nøyaktig, observere rask bevegelse, overføre informasjon og energi over lange distanser , oppnå miniatyrisering av enheter, og oppnå høyere avbildningsoppløsning.
Siden fremkomsten av lasere har folk stadig forfulgt sterkere lokalisering av lysfelt i dimensjoner som frekvens, tid, fart og rom, og fremmer den raske utviklingen av laserfysikkforskning og laserenheter, noe som gjør lasere til et kraftig verktøy for å forstå og bruke naturen .
I frekvensdimensjonen, gjennom hulrom av høy kvalitet, tilbakemeldingskontroll og miljøisolasjon, kan lasere opprettholde ekstremt stabile frekvenser, og fremme gjennombrudd i mange store vitenskapelige forskning, for eksempel Bose-Einstein kondensasjon (2001 Nobelpris i fysikk), Precision Laser Spectroscopy ( 2005 Nobelpris i fysikk) og gravitasjonsbølgedeteksjon (2017 Nobelpris i fysikk).
I tidsdimensjonen gjør moduslåseteknologi og harmonisk generasjonsteknologi med høy orden ultrashort-laserpulser til virkelighet. Gjennom ekstrem tid lokalisering kan attosekundlasere produsere lette pulser som bare varer omtrent en optisk syklus. Dette gjennombruddet gjør det mulig å observere ultrahastprosesser som bevegelse av elektroner i det indre laget av atomer, og vant 2023 Nobelprisen i fysikk.
I momentumdimensjonen har utviklingen av lasere med stor område oppnådd en høy grad av lokalisering av lysfeltet i momentumrom, noe som gjør laserstrålen svært retningsbestemt. Den resulterende sterkt kollimerte laseren forventes å fremme utviklingen av ultra-lang avstand interstellar høyhastighets optisk kommunikasjon.
I den romlige dimensjonen gjør introduksjonen av overflateplasmoner og lokaliseringsmekanismer for singularitetslysfelt og N er brytningsindeksen for materialet), og føder dermed nanolasere. Fremveksten av nanolasere har vidtrekkende betydning for å innovere informasjonsteknologi og studere samspillet mellom lys og materie under ekstreme forhold.
3. Bryt den optiske diffraksjonsgrensen
Mer enn 30 år etter oppfinnelsen av laseren, med fremme av mikro-maskinende teknologi og en dypere forståelse av laserfysikkforskning og laserenheter, har forskjellige typer mikro-halvlederlasere blitt utviklet etter hverandre, inkludert mikroskispelasere , Photonic Crystal Defekt -lasere og nanotrådslasere. I 1992 innså Bell Laboratories i USA den første mikro-disk-laseren, ved å bruke den hviskende gallerimodus i mikroskarken for å la lys gjentatte ganger reflektere i mikroskisken, generere resonant tilbakemelding og oppnå lasing. I 1999 innså California Institute of Technology i USA den første fotoniske krystalldefektlaseren ved å innføre punktdefekter i todimensjonale fotoniske krystaller for å begrense lys. I 2001 realiserte University of California, Berkeley, vellykket halvleder nanotrådslasere for første gang ved å bruke endeflaten til en nanotråd som en reflektor. Disse laserne reduserer funksjonsstørrelsen til rekkefølgen på en enkelt vakuumbølgelengde, men på grunn av begrensningene i den optiske diffraksjonsgrensen er disse laserne basert på dielektriske resonatorer vanskelig å krympe ytterligere.
I geometri er lengden på høyre vinkelt side av en høyre trekant mindre enn lengden på hypotenusen. I en mikroskopisk skala, for å bryte diffraksjonsgrensen, må lengden på de to rettvinklede sidene være større enn hypotenusen. I 2009 realiserte tre lag i verden først plasmoniske nanolasere som brøt gjennom den optiske diffraksjonsgrensen. Blant dem innså teamet ved University of California, Berkeley og Peking University en plasmonisk nanolaser basert på en endimensjonal halvleder nanotis-insulator-metallstruktur; Teamet ved Eindhoven University of Technology i Nederland og Arizona State University i USA utviklet en plasmonisk nanolaser basert på en metall-halvleder-metall tre-lags flatplate-struktur; Teamet ved Norfolk State University og Purdue University i USA demonstrerte en kjerneskallstruktur plasmonisk nanolaser basert på en metallkjerneinnstilt gevinst medium skall basert på lokalisert overflateplasmon resonans.
Med andre ord, ved å introdusere imaginære enheter i spredningsligningen, konstruerte forskere faktisk en spesiell trekant med en rettvinklet side lenger enn hypotenusen. Det er denne spesielle trekanten som lar oss fysisk oppnå sterkere lysfeltlokalisering.
Etter mer enn 10 års utvikling har plasmon -nanolasere vist utmerkede egenskaper som ekstremt lite modusvolum, ultrahastmodulasjonshastighet og lavt energiforbruk. Sammenlignet med dielektriske materialer, selv om plasmoneffekten kobler sammen lysfeltet med den kollektive svingningen av frie elektroner i metaller for å oppnå sterkere lysfeltlokalisering, introduserer denne koblingen også iboende ohmiske tap, noe som fører til varmeproduksjon, som igjen øker enhetens effekt forbruk og begrenser dens sammenhengstid.
I 2024 foreslo Peking University-teamet en ny singularitetsspredningsligning, og avslørte spredningsegenskapene til den all-dielektriske bow-tie nanoantenna. Ved å legge inn bow-tie nanoantenna i hjørnet nanokavitetsstruktur foreslått av Peking University-teamet, ble en singularitetsdielektrisk nanolaser som bryter den optiske diffraksjonsgrensen realisert i et dielektrisk system for første gang. Denne strukturelle designen gjør at lysfeltet kan komprimeres til det ekstreme, og kan teoretisk nå nå et uendelig lite modusvolum, som er mye mindre enn den optiske diffraksjonsgrensen. I tillegg forbedrer den sofistikerte strukturen i hjørnets nanokavitet ytterligere lagringskapasiteten til lysfeltet, noe til energien som er tapt per syklus) kan overstige 1 million.
Peking University -teamet utviklet den optiske frekvensfasede array -teknologien basert på nanolasere. De demonstrerte vellykket det kraftige potensialet for arrayert sammenhengende laseteknologi ved å kontrollere lasingsbølgelengden og fasen til hver nanolaser i lasergruppen. For eksempel brukte teamet denne teknologien for å oppnå optisk frekvensarray koherent lasing i mønstre som "P", "K", "U", "Kina" og "Kina", og demonstrerte sine brede applikasjonsutsikter innen integrert fotonikk , Mikro-nano lyskilde-matriser og optisk kommunikasjon. (Forfatter: MA Renmin, professor ved School of Physics, Peking University)
