Лазеры широко используются в коммуникациях, медицинской визуализации и хирургии, потребительской электронике и других областях и глубоко изменили жизнь людей. В последние годы, чтобы уменьшить размер лазеров, ученые разработали нанолазеры, что не только способствует миниатюризации и интеграции фотонных устройств, но и открывает новые пути для изучения взаимодействия между светом и веществом в чрезвычайных условиях. Эта статья начинается с поколения света и заставляет вас глубоко изучить мир нанолазеров.
В области информационных технологий транзисторы и лазеры являются двумя основными компонентами. Миниатюризация транзисторов способствовала быстрому развитию электронных чипов и породила известный закон Мура - количество транзисторов, которые могут быть размещены на интегрированной схеме, удваиваются каждые 18 месяцев или около того. Эта тенденция увеличила размер самых передовых транзисторов к уровню нанометра. В настоящее время более 10 миллиардов транзисторов могут быть интегрированы в мобильные и компьютерные чипы, используемые общественностью, предоставляя эти устройства мощные возможности обработки информации и продвижение прибытия цифровой и интеллектуальной эры. В то же время миниатюризация лазеров вызвала революцию в фотонных технологиях. После более чем полвека разработки миниатюрные полупроводниковые лазеры широко использовались в связи с коммуникациями, хранением данных, медицинской визуализацией и хирургией, зондированием и измерениями, потребительской электронике, аддитивным производствам, дисплею и освещению и другими полями.
Масштабирование лазеров сложнее, чем транзисторы, потому что они полагаются на очень разные микроскопические транзисторы частиц, полагаемые на электроны, в то время как лазеры полагаются на фотоны. В видимых и ближних инфракрасных полосах длина волн фотонов на три порядка выше, чем длины волн электронов в транзисторах. В зависимости от предела дифракции, минимальный объем режима, в который могут быть сжаты эти фотоны, составляет около девяти порядков или в миллиард раз больше, чем у электронов в транзисторе. Основная задача в создании наноразмерных лазеров заключается в том, как прорваться через предел дифракции и «сжать» объем фотонов до предела. Преодоление этой проблемы не только значительно способствует разработке фотонных технологий, но также приведет к многим новым сценариям применения. Представьте, что когда фотоны, такие как электроны, могут гибко манипулировать в масштабе нанометра, мы можем использовать свет, чтобы непосредственно наблюдать за тонкой структурой ДНК, и мы также можем создать крупномасштабные оптоэлектронные интегрированные чипы, а скорость обработки информации и эффективность будет быть значительно улучшенным.
В последние годы, благодаря поверхностным плазмонам и механизмам локализации полевого светового поля в целевом свете, объем лазерного режима превышал предел оптической дифракции и вошел в наноразмерное, что привело к нанолазувам.
1. Откройте яркую дверь, чтобы исследовать неизвестную
В природе свет генерируется двумя способами: спонтанное излучение и стимулированное излучение.
Спонтанное излучение - замечательный процесс. Даже в полной тьме и без каких -либо внешних фотонов материя может излучать свет самостоятельно. Это потому, что вакуум не является по -настоящему «пустым». Он заполнен крошечными колебаниями энергии, называемыми энергией с нулевой точкой вакуума. Энергия вакуумной нулевой точки может привести к тому, что возбуждающая материя выпускает фотоны. Например, освещение свечи производит при свечах. История использования человеком огня может быть прослежена до более 1 миллиона лет назад. Огонь принес свет и тепло человеческим предкам и открыл главу цивилизации. Пламя и лампы накаливания являются источниками спонтанного излучения. Они сжигают или нагревают, чтобы поместить электроны в высокоэнергетическое состояние, а затем выделяют фотоны под действием энергии вакуумной нулевой точки, чтобы осветить мир.
Стимулированное излучение выявляет более глубокое взаимодействие между светом и веществом. Когда внешний фотон проходит через вещество в возбужденном состоянии, он запускает вещество, чтобы выпустить новый фотон, который точно такой же, как падающий фотон. Этот «скопированный» фотон делает луч света высоким направленным и последовательным, который является лазером, с которым мы знакомы. Хотя изобретение лазера составляет менее столетия назад, оно быстро было интегрировано в общественную жизнь, что приводит к изменениям земли.
Изобретение лазера открыло яркую дверь для человечества, чтобы исследовать неизвестное. Это предоставляет нам мощные инструменты и значительно способствует развитию современной цивилизации. В области информации и коммуникации лазеры сделали высокоскоростную оптоволоконную коммуникацию реальностью и сделали возможным глобальное взаимосвязь. При медицинской помощи лазерная хирургия характеризуется высокой точностью и минимально инвазивностью, обеспечивая пациентам более безопасные и более эффективные методы лечения. В промышленном производстве лазерная резка и сварка повышают эффективность производства и точность продукта, что позволяет людям создавать более сложные машины и оборудование. В научных исследованиях лазеры являются ключевыми инструментами для обнаружения гравитационных волн и квантовых информационных технологий, помогая ученым раскрыть тайны вселенной.
От лазерной печати и медицинской красоты в повседневной жизни до контролируемого ядерного слияния, лазерного радара и лазерного оружия в передовых технологиях, лазеры повсюду и оказывают глубокое влияние на развитие мира. Это не только изменило наш образ жизни, но и расширил способность людей понимать и трансформировать природу.
2. Мощные инструменты для понимания и использования природы
Вдохновленный законом о радиации черного тела Планка, Эйнштейн предложил концепцию стимулированного излучения в 1917 году, и это открытие заложило основу для изобретения лазеров. В 1954 году американские ученые Таунс и другие впервые сообщили о микроволновом осцилляторе, реализованном стимулированным излучением, а именно микроволновым мастером. Они использовали возбужденные молекулы аммиака в качестве среды усиления и использовали микроволновую резонансную полость длиной около 12 см, чтобы обеспечить обратную связь, реализуя микроволновые мастеры с длиной волны около 12,56 см. Микроволновый мастер рассматривается как предшественник лазера, но лазер может производить когерентное излучение на более высокой частоте, с такими преимуществами, как меньший объем, более высокая интенсивность и более высокая информация.
В 1960 году американский ученый Майман изобрел первый лазер. Он использовал рубиновый стержень длиной около 1 см по мере увеличения среды, и два конца стержня были серебрены, чтобы выступать в качестве отражателей, чтобы обеспечить оптическую обратную связь. Под возбуждением флеш -лампы устройство произвело лазерный выход с длиной волны 694,3 нанометров. Стоит отметить, что размер микроволнового мастера находится на том же порядке, что и длина волны. Согласно этой пропорциональной взаимосвязи, размер лазера должен составлять около 700 нанометров. Однако размер первого лазера был намного больше, чем этот, более чем на 4 порядка. Потребовалось около 30 лет, чтобы сократить лазер до размера, сравнимого с длиной волны, и потребовалось полвека, чтобы прорваться через предел длины волны и реализовать глубокие лазеры по длине подвол.
По сравнению с обычными источниками света энергия излучения микроволновых мафе и лазеров концентрируется в очень узком диапазоне частот. Следовательно, эти два изобретения можно рассматривать как локализующие электромагнитные волны в частотном пространстве посредством стимулированного излучения. Стимулированное излучение также может использоваться для локализации электромагнитных волн во времени, импульса и пространственных размерах. Локализация электромагнитных волн в этих измерениях, источники лазерного света могут достигать чрезвычайно стабильных частотных колебаний, ультракора достичь миниатюризации устройства и получить более высокое разрешение визуализации.
С момента появления лазеров люди постоянно стремятся к более сильной локализации световых полей в таких измерениях, как частота, время, импульс и пространство, способствуя быстрому развитию лазерных физических исследований и лазерных устройств, что делает лазеры мощным инструментом для понимания и использования природы Полем
В измерении частоты, посредством высококачественной полости, контроля обратной связи и экологической изоляции лазеры могут поддерживать чрезвычайно стабильные частоты, способствуя прорывам во многих основных научных исследованиях, таких как конденсация Бозе-Эйнштейна (Нобелевская премия 2001 года в физике), точная лазерная спектроскопия (спектроскопия (точная лазер Нобелевская премия 2005 года по физике) и обнаружение гравитационных волн (Нобелевская премия по физике 2017 года).
В измерении времени технология блокировки режима и технология гармонической генерации высокого порядка делает ультракоротные лазерные импульсы реальностью. Благодаря крайней временной локализации аттосекундные лазеры могут производить легкие импульсы, которые длятся только около одного оптического цикла. Этот прорыв позволяет наблюдать над сверхбыстрыми процессами, такими как движение электронов во внутреннем слое атомов, и выиграл Нобелевскую премию 2023 года по физике.
В измерении импульса развитие одномодевых лазеров крупной области достигла высокой степени локализации светового поля в пространстве импульса, что делает лазерный луч высоким направлением. Ожидается, что результирующий лазер с высоким уровнем коллимирования будет способствовать развитию сверхурочных межзвездных высокоскоростных оптических коммуникаций.
В пространственном измерении введение поверхностных плазмопов и механизмов локализации светового поля сингулярного света позволяет объему лазерного режима прорываться через предел оптической дифракции и достигать масштаба меньше, чем (λ/2n) 3 (где λ - длина волны света свободного пространства. и n - показатель преломления материала), таким образом, рожая нанолазеры. Появление нанолазров имеет далеко идущее значение для инновационных информационных технологий и изучения взаимодействия между светом и веществом в экстремальных условиях.
3. Разбивая предел оптической дифракции
Спустя более 30 лет после изобретения лазера, с развитием технологии микро-махинингов и более глубоким пониманием лазерных физических исследований и лазерных устройств, были разработаны различные типы лазеров микропроводящих. , фотонные хрустальные дефектные лазеры и лазеры нанопроволоков. В 1992 году Bell Laboratories в Соединенных Штатах успешно реализовали первый лазер для микродисков, используя режим Whispering Gallery в микродиске, чтобы световые были неоднократно отражать в микродиске, генерировать резонансную обратную связь и достичь точки. В 1999 году Калифорнийский технологический институт в Соединенных Штатах реализовал первый фотонный кристаллический дефект, введя дефекты точек в двумерных фотонных кристаллах, чтобы ограничить свет. В 2001 году Калифорнийский университет в Беркли впервые успешно реализовал лазеры полупроводниковых нанопроводов, используя конечную поверхность нанопроволоки в качестве отражателя. Эти лазеры уменьшают размер функции до порядка одной вакуумной длины волны, но из -за ограничений оптической дифракционной предела эти лазеры на основе диэлектрических резонаторов трудно еще больше сокращаться.
В геометрии длина правой стороны правого треугольника меньше длины гипотенузы. В микроскопическом масштабе, чтобы разбить предел дифракции, длина двух прямоугольных сторон должна быть больше гипотенузы. В 2009 году три команды в мире впервые осознали плазмонные нанолазеры, которые пробили предел оптической дифракции. Среди них команда Калифорнийского университета, Беркли и Пекинского университета реализовала плазмонный нанолазер, основанный на одномерной полупроводниковой структуре нанопровода-инсунататор-металла; Команда Технологического университета Эйндховен в Нидерландах и Университете штата Аризона в Соединенных Штатах разработала плазмонный нанолазер на основе трехслойной структуры плоской пластины с металлическим приведением; Команда государственного университета Норфолка и Университета Пердью в Соединенных Штатах продемонстрировала плазмонный нанолазер в структуре основной оболочки на основе металлической среды, встроенной на металлическую среду, основанную на локализованном поверхностном плазмонном резонансе.
Другими словами, введя воображаемые подразделения в уравнение дисперсии, ученые фактически построили специальный треугольник с правой стороной дольше, чем гипотенуза. Именно этот особый треугольник позволяет нам физически достигать более сильной локализации светового поля.
После более чем 10 лет разработки плазмонские нанолазеры продемонстрировали превосходные характеристики, такие как чрезвычайно малый объем режима, сверхбыстрая скорость модуляции и низкое энергопотребление. Однако по сравнению с диэлектрическими материалами, хотя эффект плазмона объединяет световое поле с коллективным колебанием свободных электронов в металлах для достижения более сильной локализации светового поля, эта связь также вводит присущие Ohmic потеря, что приводит к выработке тепла, что, в свою очередь, увеличивает мощность устройства потребление и ограничивает свое время согласованности.
В 2024 году команда Университета Пекинга предложила новое уравнение дисперсии сингулярности, выявив дисперсионные характеристики наноанты с галстуком с луком. Внедряя наноаненну на нанонтену в галстук в угловую структуру наноагитации, предложенная командой Университета Пекинга, диэлектрический нанолазчик сингулярности, который нарушает оптическую дифракционную предел, был впервые реализован в диэлектрической системе. Эта структурная конструкция позволяет сжиманию светового поля до крайности и теоретически может достигать бесконечно небольшого объема режима, который намного меньше, чем предел оптической дифракции. Кроме того, сложная структура угловой наноавит дополнительно увеличивает емкость светового поля, давая нанолазеру сингулярности сверхвысокий коэффициент качества и его фактор качества оптического полости (то есть соотношение энергии, хранящейся в оптической полости. к энергии, потерянной за цикл) может превышать 1 миллион.
Команда Университета Пекинга также разработала технологию массива оптической частоты, основанную на нанолазках. Они успешно продемонстрировали мощный потенциал решающей когерентной технологии нажатия путем точно управления длиной волны нагрузки и фазой каждого нанолазера в лазерной массиве. Например, команда использовала эту технологию для достижения оптической частотной массивы, когерентного когерентного, таких как «P», «K», «U», «Китай» и «Китай», демонстрируя свои широкие перспективы применения в областях интегрированной фотоники , массивы микронано-источника света и оптическая связь. (Автор: Ма Ренмин, профессор школы физики, Пекинский университет)
