Nanolaser

Nanolaser to laser o nanoskalowych wymiarach i odnosi się do mikro-/nano-urządzenia, które może emitować światło za pomocą światła lub wzbudzenia elektrycznego nanoprzewodów lub innych nanomateriałów, które służą jako rezonatory . Standardową cechą nanolaserów jest zatrzymywanie światła w skali zbliżonej do granicy dyfrakcji światła lub jej tłumienia . Te maleńkie lasery można szybko modulować, co w połączeniu z ich niewielkimi rozmiarami czyni je idealnymi kandydatami do obliczeń optycznych na chipie .

Historia

Albert Einstein zaproponował emisję wymuszoną w 1916 r., co przyczyniło się do pierwszej demonstracji lasera w 1961 r. Od tego czasu ludzie cały czas dążyli do miniaturyzacji laserów w celu uzyskania mniejszych rozmiarów i mniejszego zużycia energii. Odkąd ludzie zauważyli, że światło ma różne interakcje z materią w nanoskali w latach 90., poczyniono znaczne postępy w miniaturyzacji laserów i zwiększeniu wydajności konwersji energii. W ciągu ostatnich dziesięcioleci opracowano różne rodzaje nanolaserów.

wykazano, że niektóre intrygujące projekty laserów mikrodyskowych i fotonicznych laserów krystalicznych mają rozmiar wnęki lub objętość energii o mikro-/nano-średnicach i zbliżają się do granicy dyfrakcji światła. Zachowanie fotoluminescencji masowych nanoprzewodów ZnO zostało po raz pierwszy opisane w 2001 roku przez prof. Peidong Yang z University of California w Berkeley i otworzyło drzwi do badań nanolaserów nanoprzewodów . Projekty te nadal nie przekraczają granicy dyfrakcji, aż do demonstracji laserów plazmonicznych lub spaserów.

David J. Bergman i Mark Stockman jako pierwsi zaproponowali wzmocnione powierzchniowe fale plazmonowe przez stymulowaną emisję i ukuli termin spaser jako „wzmocnienie plazmonów powierzchniowych przez stymulowaną emisję promieniowania” w 2003 roku. Do 2009 roku nanolasery plazmoniczne lub spasery były po raz pierwszy osiągane eksperymentalnie, które zostały uważane za najmniejsze nanolasery w tamtym czasie.

Harmonogram rozwoju nanolaserów.

Od około 2010 roku nastąpił postęp w technologii nanolaserów i opracowano nowe typy nanolaserów, takie jak laser z symetrią parzystości w czasie , laser stanów związanych w laserze kontinuum i fotoniczny laser izolatorów topologicznych .

Porównanie z konwencjonalnymi laserami

Chociaż mają wiele podobieństw ze standardowymi laserami, nanolasery zachowują wiele unikalnych cech i różnic w stosunku do laserów konwencjonalnych ze względu na fakt, że światło oddziałuje inaczej z materią w nanoskali.

Mechanizm

Podobnie jak lasery konwencjonalne, nanolasery również bazują na emisji wymuszonej zaproponowanej przez Einsteina; główną różnicą między nanolaserem a konwencjonalnymi w mechanizmie jest ograniczenie światła. Rezonator lub wnęka odgrywa ważną rolę w wyborze światła o określonej częstotliwości i tym samym kierunku, co najbardziej priorytetowe wzmocnienie i tłumienie drugiego światła w celu osiągnięcia ograniczenia światła. W przypadku laserów konwencjonalnych wnęka Fabry'ego-Pérota z dwoma równoległymi lustrami odbijającymi. W takim przypadku światło może być ograniczone do maksymalnie połowy długości fali i taka granica jest uważana za granicę dyfrakcji światła. Aby zbliżyć się lub zmniejszyć granicę dyfrakcji światła, jednym ze sposobów jest poprawa współczynnika odbicia ośrodka wzmacniającego , takich jak fotoniczne pasmo wzbronione i nanoprzewody. Innym skutecznym sposobem na przekroczenie granicy dyfrakcji jest przekształcenie światła w plazmony powierzchniowe w nanostrukturalnych metalach w celu wzmocnienia we wnęce. Ostatnio zaproponowano nowe mechanizmy silnego uwięzienia światła dla nanolaserów, w tym symetrię parzystości w czasie, fotoniczne izolatory topologiczne i stany związane w kontinuum.

Nieruchomości

Porównanie właściwości nanolaserów i makrolaserów. W porównaniu z laserami makro, nanolasery mają mniejsze rozmiary, niższe progi i przyspieszone prędkości modulacji.

W porównaniu z konwencjonalnymi laserami, nanolasery wykazują odmienne właściwości i możliwości. Największymi zaletami nanolaserów są ich bardzo małe rozmiary fizyczne, które poprawiają efektywność energetyczną, zmniejszają progi lasera i osiągają wysokie prędkości modulacji.

Rodzaje nanolaserów

Laser mikrodyskowy

Obraz SEM lasera mikrodyskowego z rezonatorem w trybie szeptanej galerii.

Laser mikrodyskowy to bardzo mały laser składający się z dysku z wbudowanymi strukturami studni kwantowych . Jego wymiary mogą występować w skali mikro lub nanoskali. Lasery mikrodyskowe wykorzystują w trybie szeptanej galerii . Światło we wnęce przemieszcza się po obwodzie dysku, a całkowite wewnętrzne odbicie fotonów może skutkować silnym ograniczeniem światła i wysokim współczynnikiem jakości, co oznacza potężną zdolność mikrownęki do magazynowania energii fotonów sprzężonych z wnęką.

Fotoniczny laser krystaliczny

Fotoniczne lasery krystaliczne wykorzystują okresowe struktury dielektryczne o różnych współczynnikach załamania; światło można ograniczyć za pomocą mikrownęki kryształu fotonicznego. W materiałach dielektrycznych występuje uporządkowany rozkład przestrzenny. Kiedy występuje defekt w strukturze okresowej, dwuwymiarowa lub trójwymiarowa struktura kryształu fotonicznego ograniczy światło w przestrzeni granicy dyfrakcyjnej i wytworzy rezonans Fano zjawisko, co oznacza współczynnik wysokiej jakości z silnym ograniczeniem światła dla laserów. Podstawową cechą kryształów fotonicznych jest fotoniczne pasmo wzbronione, to znaczy światło, którego częstotliwość mieści się w fotonicznym paśmie wzbronionym, nie może rozchodzić się w strukturze kryształu, co skutkuje wysokim współczynnikiem odbicia padającego światła i silnym ograniczeniem światła do małej objętości skali długości fali. Pojawienie się kryształów fotonicznych powoduje całkowite stłumienie spontanicznej emisji w szczelinie fotonowej. Jednak wysoki koszt kryształu fotonicznego utrudnia rozwój i rozpowszechnianie zastosowań fotonicznych laserów krystalicznych.

Nanolaser nanoprzewodowy

Schemat laserów nanoprzewodowych.

Półprzewodnikowe lasery nanoprzewodowe mają quasi-jednowymiarową strukturę o średnicach w zakresie od kilku nanometrów do kilkuset nanometrów i długościach w zakresie od setek nanometrów do kilku mikronów. Szerokość nanoprzewodów jest wystarczająco duża, aby zignorować efekt rozmiaru kwantowego , ale są to wysokiej jakości jednowymiarowe falowody o przekrojach cylindrycznych, prostokątnych, trygonalnych i sześciokątnych. Quasi-jednowymiarowa struktura i wysoki współczynnik odbicia lasera nanoprzewodowego sprawiają, że ma on dobry falowód optyczny i zdolność zatrzymywania światła. Lasery nanoprzewodowe są podobne do Fabry-Pérot zagłębienie w mechanizmie. Wysoki współczynnik odbicia nanodrutu i płaskie powierzchnie końcowe drutu tworzą dobrą wnękę rezonansową, w której fotony mogą być wiązane między dwoma końcami nanodrutu, ograniczając energię światła do kierunku osiowego nanodrutu, spełniając tym samym warunki powstawania lasera . Wielokątne nanoprzewody mogą tworzyć prawie okrągłe wgłębienie w przekroju poprzecznym, które obsługuje tryb szeptanej galerii.

Nanolaser plazmoniczny

Schematyczna ilustracja nanolasera plazmonowego. Proces powstawania lasera obejmuje transfer energii przekształcający fotony w plazmony powierzchniowe.

Nanolaser oparty na plazmonie powierzchniowym znany jest jako nanolaser plazmoniczny, którego rozmiar znacznie przekracza granicę dyfrakcji światła. Zwłaszcza, jeśli nanolaser plazmoniczny jest nanoskopowy w trzech wymiarach, jest również nazywany spaserem , o którym wiadomo, że ma najmniejszy rozmiar wnęki i rozmiar trybu. Projektowanie nanolaserów plazmonicznych stało się obecnie jedną z najskuteczniejszych metod technologicznych miniaturyzacji laserów. Nieco odmienna od konwencjonalnych laserów, typowa konfiguracja nanolasera plazmonicznego obejmuje proces przenoszenia energii do przekształcania fotonów w plazmony powierzchniowe. W plazmonowym nanolaserze lub spaserze ekscyton nie jest już fotonami, ale powierzchniowym polarytonem plazmonowym . Plazmony powierzchniowe to zbiorcze oscylacje swobodnych elektronów na powierzchniach metali pod wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych . Zgodnie z ich przejawami, mod wnękowy w nanolaserach plazmonicznych można podzielić na propagujące polarytony plazmonów powierzchniowych (SPP) i nie propagujące zlokalizowane plazmony powierzchniowe (LSP).

Schemat trybu SPP, w którym polarytony plazmonów powierzchniowych propagują się wzdłuż granicy faz między metalem a dielektrykiem.

SPP to fale elektromagnetyczne, które rozchodzą się wzdłuż granicy między metalem a ośrodkiem, a ich intensywność maleje stopniowo w kierunku prostopadłym do granicy propagacji. W 2008 roku Oulton eksperymentalnie zweryfikował plazmowy laser nanoprzewodowy składający się z cienkiej warstwy dielektrycznej o niskim współczynniku odbicia rosnącej na powierzchni metalu oraz warstwy wzmacniającej z nanodrutem półprzewodnikowym o wysokim współczynniku załamania światła . W tej strukturze pole elektromagnetyczne może być przenoszone z warstwy metalu do pośredniej warstwy szczeliny, dzięki czemu energia trybu jest silnie skoncentrowana, co znacznie zmniejsza straty energii w metalu.

Schemat konfiguracji spasera 3D otoczonego medium wzmacniającym opartym na zlokalizowanych plazmonach powierzchniowych. Metalowy rdzeń zapewnia mod plazmonowy, a powierzchniowe polarytony plazmonowe są formowane na powierzchni nanopowłoki z dwutlenkiem krzemu domieszkowanym barwnikiem jako medium wzmacniającym.

Tryb LSP istnieje w wielu różnych nanostrukturach metalowych, takich jak nanocząsteczki metali (nanosfery, nanopręty, nanosześciany itp.) oraz tablice nanocząstek. W przeciwieństwie do rozchodzących się polarytonów plazmonów powierzchniowych, zlokalizowany plazmon powierzchniowy nie rozchodzi się wzdłuż powierzchni, ale oscyluje tam iz powrotem w nanostrukturze w postaci fal stojących. Kiedy światło pada na powierzchnię nanocząstek metalu, powoduje to rzeczywiste przemieszczenie ładunku powierzchniowego względem jonów. Przyciąganie między elektronami i jonami pozwala na oscylację chmury elektrod i tworzenie lokalnej powierzchni z ekscymeru polaryzacji. Oscylacja elektronów jest określona przez geometryczne granice różnych nanocząstek metali. Kiedy jego częstotliwość rezonansowa jest zgodna z padającym polem elektromagnetycznym, utworzy zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonowy. W 2009 roku Michaił A. Noginow z Norfolk State University w Stanach Zjednoczonych po raz pierwszy pomyślnie zweryfikował nanolaser oparty na LSP. Nanolaser w tym artykule składał się z rdzenia Au zapewniającego tryb plazmonowy i dwutlenku krzemu domieszkowanego barwnikiem OG-488 zapewniającego ośrodek wzmacniający. Średnica rdzenia Au wynosiła 14 nm, grubość warstwy krzemionki 15 nm, a średnica całego urządzenia tylko 44 nm, co było najmniejszym nanolaserem w tamtych czasach.

Nowe typy nanolaserów

Ponadto w ostatnich latach opracowano kilka nowych typów nanolaserów, które zbliżają się do granicy dyfrakcji. Symetria parzystości w czasie jest związana z równowagą wzmocnienia i strat optycznych w sprzężonym systemie wnękowym. Kiedy kontrolowany jest kontrast wzmocnienia i utraty oraz stała sprzężenia między dwoma identycznymi, blisko położonymi wnękami, przejście fazowe trybów lasera następuje w wyjątkowym punkcie. Stany związane w laserze kontinuum ograniczają światło w systemie otwartym poprzez eliminację stanów promieniowania poprzez destrukcyjną interferencję między modami rezonansowymi. Fotoniczny laser izolatora topologicznego oparty jest na trybie optycznym izolatorów topologicznych, w którym stany topologiczne są ograniczone do granic wnęki i mogą być wykorzystane do formowania lasera. Wszystkie te nowe typy nanolaserów mają wysoki współczynnik jakości i mogą osiągnąć rozmiar wnęki i rozmiar modu zbliżony do granicy dyfrakcji światła.

Aplikacje

Ze względu na unikalne możliwości, w tym niskie progi lasera, wysoką efektywność energetyczną i wysokie prędkości modulacji, nanolasery wykazują ogromny potencjał praktycznych zastosowań w dziedzinie charakteryzacji materiałów , zintegrowanych połączeń optycznych i wykrywania.

Nanolasery do charakteryzacji materiałów

Intensywne pola optyczne takiego lasera umożliwiają również uzyskanie efektu wzmocnienia w optyce nieliniowej lub powierzchniowo wzmocnionego rozpraszania ramanowskiego ( SERS ). Nanolasery nanoprzewodowe mogą być zdolne do wykrywania optycznego w skali pojedynczej cząsteczki z wysoką rozdzielczością i ultraszybką modulacją.

Nanolasery do zintegrowanych połączeń optycznych

Internet rozwija się z bardzo dużą prędkością przy dużym zużyciu energii do transmisji danych . Wysoka efektywność energetyczna nanolaserów odgrywa ważną rolę w zmniejszaniu zużycia energii dla przyszłego społeczeństwa.

Nanolasery do wykrywania

Niedawno wykazano, że plazmoniczne czujniki nanolaserowe mogą wykrywać określone cząsteczki w powietrzu i mogą być używane w optycznych bioczujnikach . Cząsteczki mogą modyfikować powierzchnię nanocząstek metali i wpływać na prędkość rekombinacji powierzchni ośrodka wzmocnienia nanolasera plazmonicznego, co przyczynia się do mechanizmu wykrywania nanolaserów plazmonicznych.

Wyzwania

Chociaż nanolasery wykazały ogromny potencjał, nadal istnieją pewne wyzwania związane z wykorzystaniem nanolaserów na dużą skalę, na przykład nanolasery wtryskiwane elektrycznie, inżynieria konfiguracji wnęk i poprawa jakości metalu. W przypadku nanolaserów realizacja operacji wtrysku elektrycznego lub pompowania w temperaturze pokojowej jest kluczowym krokiem w kierunku ich praktycznego zastosowania. Jednak większość nanolaserów jest pompowana optycznie, a realizacja nanolaserów wtryskiwanych elektrycznie nadal stanowi obecnie główne wyzwanie techniczne. Tylko w kilku badaniach opisano nanolasery wstrzykiwane elektrycznie. Co więcej, nadal wyzwaniem jest realizacja inżynierii konfiguracji wnęki i poprawa jakości metalu, które są kluczowe dla spełnienia wymagań wysokiej wydajności nanolaserów i osiągnięcia ich zastosowań. Ostatnio macierze nanolaserowe wykazują ogromny potencjał do zwiększenia wydajności energetycznej i przyspieszenia szybkości modulacji.

Zobacz też

Linki zewnętrzne