Lāzeri tiek plaši izmantoti sakaros, medicīniskajā attēlveidošanā un ķirurģijā, patērētāju elektronikā un citās jomās, un tie ir dziļi mainījuši cilvēku dzīvi. Pēdējos gados, lai padarītu lāzeru lielumu mazāku, zinātnieki ir izstrādājuši nanoLaserus, kas ne tikai vēl vairāk veicina fotonisko ierīču miniaturizāciju un integrāciju, bet arī paver jaunus ceļus, lai izpētītu gaismu un matēriju ekstremālos apstākļos. Šis raksts sākas ar gaismas paaudzi un aizved jūs padziļināti izpētīt nanoļu pasauli.
Informācijas tehnoloģiju jomā tranzistori un lāzeri ir divi galvenie komponenti. Tranzistoru miniaturizācija ir veicinājusi straujo elektronisko mikroshēmu attīstību un radījusi labi zināmo Mūra likumu - tranzistoru skaits, kurus var izmitināt integrētā shēmā, dubultosies ik pēc 18 mēnešiem. Šī tendence ir palielinājusi vismodernāko tranzistoru lielumu līdz nanometru līmenim. Pašlaik vairāk nekā 10 miljardus tranzistoru var integrēt mobilo tālruņu un datoru mikroshēmās, kuras izmanto sabiedrība, dodot šīm ierīcēm jaudīgas informācijas apstrādes iespējas un veicinot digitālā un inteliģenta laikmeta ierašanos. Tajā pašā laikā lāzeru miniaturizācija ir izraisījusi revolūciju fotonisko tehnoloģiju jomā. Pēc vairāk nekā pusgadsimta attīstības miniatūrie pusvadītāju lāzeri ir plaši izmantoti sakaros, datu glabāšanā, medicīniskajā attēlveidošanā un ķirurģijā, sensoru un mērīšanas, patēriņa elektronikā, piedevu ražošanā, displejā un apgaismojumā un citās jomās.
Lāzeru mērogošana ir grūtāka nekā tranzistori, jo tie paļaujas uz ļoti dažādiem mikroskopiskām daļiņām, transistori paļaujas uz elektroniem, bet lāzeri paļaujas uz fotoniem. Redzamās un tuvu infrasarkanās joslās fotona viļņu garumi ir trīs lieluma secības, kas ir augstākas par elektronu viļņu garumiem tranzistoros. Ievērojot difrakcijas robežu, minimālais režīma tilpums, kurā šos fotonus var izspiest, ir apmēram deviņi lieluma vai miljarda reižu secības, kas ir lielāks nekā tranzistora elektroniem. Galvenais izaicinājums, veidojot nanomēroga lāzeru, ir tas, kā izlauzties caur difrakcijas robežu un "saspiest" fotonu tilpumu līdz robežai. Šīs problēmas pārvarēšana ne tikai ievērojami veicinās fotonisko tehnoloģiju attīstību, bet arī radīs daudzus jaunus lietojumprogrammu scenārijus. Iedomājieties, ka tad, kad fotonus, piemēram, elektronus, var elastīgi manipulēt nanometru skalā, mēs varam izmantot gaismu, lai tieši novērotu DNS smalko struktūru, un mēs varam arī izveidot liela mēroga optoelektroniskās integrētās mikroshēmas, kā arī informācijas apstrādes ātrumu un efektivitāti ievērojami uzlabot.
Pēdējos gados, izmantojot virsmas plazmonus un vienskaitļa punktu gaismas lauka lokalizācijas mehānismus, lāzera režīma tilpums ir pārsniedzis optiskās difrakcijas robežu un iekļuvis nanoskalā, tādējādi izraisot nanoLasers.
1. Atveriet spilgtas durvis, lai izpētītu nezināmo
Dabā gaismu rada divējādi: spontāns starojums un stimulēts starojums.
Spontāns starojums ir brīnišķīgs process. Pat pilnīgā tumsā un bez ārējiem fotoniem matērija var izstarot pati par sevi. Tas notiek tāpēc, ka vakuums nav patiesi “tukšs”. Tas ir piepildīts ar sīkām enerģijas svārstībām, ko sauc par vakuuma nulles punkta enerģiju. Vakuuma nulles punkta enerģija var izraisīt satrauktas vielas atbrīvošanu. Piemēram, sveces apgaismojums rada sveču gaismu. Ugunsdzēsības vēsturi var izsekot vairāk nekā pirms 1 miljona gadu. Ugunsgrēks cilvēku senčos ienesa gaismu un siltumu un atvēra civilizācijas nodaļu. Liesmas un kvēlspuldzes ir gan spontāni starojuma avoti. Tie sadedzina vai siltums, lai elektronus novietotu augstas enerģijas stāvoklī, un pēc tam atbrīvo fotonus, izmantojot vakuuma nulles punkta enerģiju, lai apgaismotu pasauli.
Stimulēts starojums atklāj dziļāku mijiedarbību starp gaismu un matēriju. Kad ārējs fotons iet cauri vielai satrauktā stāvoklī, tas izraisa vielu, lai atbrīvotu jaunu fotonu, kas ir tieši tāds pats kā krītošais fotons. Šis "nokopētais" fotons padara gaismas staru ļoti virzienu un konsekventu, kas ir lāzers, ar kuru mēs esam pazīstami. Lai arī lāzera izgudrojums ir mazāk nekā pirms gadsimta, tas ātri ir integrēts sabiedriskajā dzīvē, izraisot zemes satricināšanas izmaiņas.
Lāzera izgudrojums cilvēcei ir atvēris spilgtas durvis, lai izpētītu nezināmo. Tas mums nodrošina spēcīgus rīkus un ļoti veicina mūsdienu civilizācijas attīstību. Informācijas un komunikācijas jomā lāzeri ir padarījuši ātrgaitas optisko šķiedru komunikāciju par realitāti un padarījusi iespējamu globālu savstarpējo savienojumu. Medicīniskajā aprūpē lāzera operācijai ir raksturīga augsta precizitāte un minimāli invazivitāte, nodrošinot pacientiem drošākas un efektīvākas ārstēšanas metodes. Rūpnieciskajā ražošanā lāzera griešana un metināšana uzlabo ražošanas efektivitāti un produktu precizitāti, ļaujot cilvēkiem radīt sarežģītākas mašīnas un aprīkojumu. Zinātniskos pētījumos lāzeri ir galvenie gravitācijas viļņu noteikšanas un kvantu informācijas tehnoloģiju rīki, palīdzot zinātniekiem atklāt Visuma noslēpumus.
Sākot ar lāzera drukāšanu un medicīnisko skaistumu ikdienas dzīvē un beidzot ar kontrolētu kodolizlusēšanu, lāzera radaru un lāzera ieročiem visprogresīvāko tehnoloģiju jomā, lāzeri ir visur un tiem ir dziļa ietekme uz pasaules attīstību. Tas ir ne tikai mainījis mūsu dzīves veidu, bet arī paplašinājis cilvēku spēju izprast un pārveidot dabu.
2. Spēcīgi rīki, lai saprastu un izmantotu dabu
Iedvesmojoties no Planka melnā ķermeņa radiācijas likuma, Einšteins 1917. gadā ierosināja stimulētā starojuma jēdzienu, un šis atklājums lika pamatus lāzeru izgudrošanai. 1954. gadā amerikāņu zinātnieki Townes un citi vispirms ziņoja par mikroviļņu oscilatoru, ko realizēja stimulēts starojums, proti, mikroviļņu masieris. Viņi izmantoja satrauktas amonjaka molekulas kā pastiprināšanas barotni un izmantoja mikroviļņu rezonanses dobumu apmēram 12 cm garumā, lai sniegtu atgriezenisko saiti, realizējot mikroviļņu masērus ar viļņa garumu aptuveni 12,56 cm. Mikroviļņu masieris tiek uzskatīts par lāzera priekšgājēju, bet lāzers var radīt koherentu starojumu ar augstāku frekvenci, ar tādām priekšrocībām kā mazāks tilpums, augstāka intensitāte un augstāka informācija, kas satur spēju.
1960. gadā amerikāņu zinātnieks Maimans izgudroja pirmo lāzeru. Viņš izmantoja rubīna stieni apmēram 1 cm garumā, kamēr pastiprinātājs, un abi stieņa gali bija sudraba pārklāti, lai darbotos kā reflektori, lai nodrošinātu optisko atgriezenisko saiti. Pēc zibatmiņas lampas ierosināšanas ierīce ražoja lāzera izvadi ar viļņa garumu 694,3 nanometriem. Ir vērts atzīmēt, ka mikroviļņu masas lielums ir tādā pašā lieluma secībā kā tā viļņa garums. Saskaņā ar šīm proporcionālajām attiecībām lāzera lielumam jābūt aptuveni 700 nanometriem. Tomēr pirmā lāzera lielums bija daudz lielāks nekā šis, par vairāk nekā 4 lieluma kārtām. Bija nepieciešami apmēram 30 gadi, lai samazinātu lāzeru līdz lielumam, kas ir salīdzināms ar viļņa garumu, un bija nepieciešams pusgadsimts, lai izlauztu viļņa garuma robežu un saprastu dziļos zemviļņu garuma lāzerus.
Salīdzinot ar parastajiem gaismas avotiem, mikroviļņu masieru un lāzeru radiācijas enerģija ir koncentrēta ļoti šaurā frekvenču diapazonā. Tāpēc šos divus izgudrojumus var uzskatīt par elektromagnētisko viļņu lokalizāciju frekvences telpā, izmantojot stimulētu starojumu. Stimulētu starojumu var izmantot arī, lai lokalizētu elektromagnētiskos viļņus laikā, impulsu un telpas izmērus. Lokalizējot elektromagnētiskos viļņus šajās dimensijās, lāzera gaismas avoti var sasniegt ārkārtīgi stabilas frekvences svārstības, īpaši īsus impulsus, augstu virzienu un ārkārtīgi maza režīma tilpumu, kas ļauj mums precīzi izmērīt laiku, novērot ātru kustību, pārraidīt informāciju un enerģiju lielos attālumos , panākt ierīces miniaturizāciju un iegūt lielāku attēlveidošanas izšķirtspēju.
Kopš lāzeru parādīšanās cilvēki pastāvīgi veica spēcīgāku gaismas lauku lokalizāciju tādās izmēros kā biežums, laiks, impulss un telpa, veicinot straujo lāzera fizikas pētījumu un lāzera ierīču attīstību, padarot lāzerus par spēcīgu instrumentu, lai izprastu un izmantotu dabas izmantošanu un izmantošanu, lai izprastu un izmantotu dabu un izmantot dabas izmantošanu un izmantošanu izmantot un izmantot dabas izmantošanu un izmantošanu. Apvidū
Frekvences dimensijā, izmantojot augstas kvalitātes dobumu, atgriezeniskās saites kontroli un vides izolāciju, lāzeri var uzturēt ārkārtīgi stabilas frekvences, veicinot izrāvienus daudzos nozīmīgos zinātniskos pētījumos, piemēram, Bose-Einšteina kondensācijā (2001. gada Nobela prēmija fizikā), precizitātes lāzera spektroskopija (2001. gada Nobela prēmija), precīzas lāzera spektroskopija ( 2005. gada Nobela prēmija fizikā) un gravitācijas viļņu noteikšana (2017. gada Nobela prēmija fizikā).
Laika dimensijā režīma bloķēšanas tehnoloģija un augstas pakāpes harmoniskās paaudzes tehnoloģija padara UltraShort lāzera impulsus par realitāti. Izmantojot ekstrēmu laika lokalizāciju, attosekundes lāzeri var radīt gaismas impulsus, kas ilgst tikai apmēram vienu optisko ciklu. Šis izrāviens ļauj ievērot ultraātus procesus, piemēram, elektronu kustību atomu iekšējā slānī, un ieguva 2023. gada Nobela prēmiju fizikā.
Momentum dimensijā liela apgabala vienas režīma lāzeru attīstība ir sasniegusi augstu gaismas lauka lokalizācijas pakāpi impulsa telpā, padarot lāzera staru kūļa augstus virzienus. Paredzams, ka iegūtais ļoti kolimēts lāzers veicinās īpaši garu distanču starpzvaigžņu ātrgaitas optisko sakaru attīstību.
Telpiskajā dimensijā virsmas plazmonu un singularitātes gaismas lauka lokalizācijas mehānismu ieviešana ļauj lāzera režīma tilpumam izlauzties caur optiskās difrakcijas robežu un sasniegt skalu, kas mazāks par (λ/2n) 3 (kur λ ir brīvās telpas apgaismojuma viļņa garums un n ir materiāla refrakcijas indekss), tādējādi dzemdējot nanolerus. Nanolaseru parādīšanai ir tālejoša nozīme informācijas tehnoloģiju ieviešanā un gaismas un matērijas mijiedarbības izpēte ekstremālos apstākļos.
3. Optiskās difrakcijas robežas pārkāpšana
Vairāk nekā 30 gadus pēc lāzera izgudrošanas, attīstot mikroapstrādes tehnoloģiju un dziļāku izpratni par lāzera fizikas pētījumiem un lāzera ierīcēm, ir izstrādāti dažāda veida mikrokonduktoru lāzeri, ieskaitot mikro-diska lāzeru , fotonisko kristāla defektu lāzeri un nanodaļu lāzeri. 1992. gadā Bell Laboratories Amerikas Savienotajās Valstīs veiksmīgi realizēja pirmo mikro-diska lāzeru, izmantojot čukstēšanas galerijas režīmu mikro-diskā, lai gaisma varētu atkārtoti atspoguļoties mikro-diskā, radīt rezonanses atgriezenisko saiti un panākt lasingu. 1999. gadā Kalifornijas Tehnoloģiju institūts Amerikas Savienotajās Valstīs realizēja pirmo fotoniskā kristāla defektu lāzeru, ieviešot punktu defektus divdimensiju fotoniskos kristālos, lai ierobežotu gaismu. 2001. gadā Kalifornijas Universitāte Berkeley pirmo reizi veiksmīgi realizēja pusvadītāju nanoveru lāzerus, izmantojot nanoveru kā reflektoru. Šie lāzeri samazina funkcijas lielumu līdz viena vakuuma viļņa garuma secībai, bet optiskās difrakcijas robežas ierobežojumu dēļ šie lāzeri, kas balstīti uz dielektriskiem rezonatoriem, ir grūti turpināt sarukt.
Ģeometrijā taisnā trīsstūra labās leņķa garums ir mazāks par hipotenūzes garumu. Mikroskopiskā mērogā, lai sadalītu difrakcijas robežu, abu labās leņķa malu garumam jābūt lielākam par hipotenūzu. 2009. gadā trīs komandas pasaulē pirmo reizi realizēja plazmoniskos nanolerus, kas izlauzās caur optiskās difrakcijas robežu. Viņu vidū Kalifornijas Universitātes, Bērklija un Pekinas universitātes komanda realizēja plazmonisku nanoLaser, kura pamatā ir viendimensionāla pusvadītāja nanovada-inulatora-metāla struktūra; Eindhovena Tehnoloģiju universitātes komanda Nīderlandē un Arizonas štata universitātē Amerikas Savienotajās Valstīs izstrādāja plazmonisku nanolāzu, kura pamatā ir metāla semiconduktora metāla trīs slāņu plakanās plāksnes struktūra; Norfolkas štata universitātes un Purdue universitātes komanda Amerikas Savienotajās Valstīs demonstrēja galveno čaumalas struktūras plazmonisko nanolāzu, kura pamatā ir metāla kodols, kas iestrādāts vidēja apvalka, kura pamatā ir lokalizēta virsmas plazmona rezonanse.
Citiem vārdiem sakot, iepazīstinot ar iedomātām vienībām dispersijas vienādojumā, zinātnieki faktiski uzbūvēja īpašu trīsstūri ar labās leņķa pusi ilgāk nekā hipotenūza. Tieši šis īpašais trīsstūris ļauj mums fiziski sasniegt spēcīgāku gaismas lauka lokalizāciju.
Pēc vairāk nekā 10 attīstības gadiem plazmona nanoLasers ir parādījuši lieliskas īpašības, piemēram, ārkārtīgi maza režīma tilpumu, īpaši ātru modulācijas ātrumu un zemu enerģijas patēriņu. Tomēr, salīdzinot ar dielektriskiem materiāliem, kaut arī plazmas efekts savieno gaismas lauku ar brīvo elektronu kolektīvo svārstību metāliem, lai panāktu spēcīgāku gaismas lauka lokalizāciju, šī savienošana arī rada raksturīgus omiskus zaudējumus, kas izraisa siltuma veidošanos, kas savukārt palielina ierīces jaudas jaudu patēriņš un ierobežo tā saskaņotības laiku.
2024. gadā Pekinas universitātes komanda ierosināja jaunu singularitātes izkliedes vienādojumu, atklājot visu dielektrisko priekšgala t-pie nanoantenna izkliedes īpašības. Iegulējot Bow-Tie nanoantenna stūra nanokavitācijas struktūrā, ko ierosinājis Pekinas universitātes komanda, dielektriskā sistēmā pirmo reizi tika realizēts singularitātes dielektriskais nanolazers, kas sabojā optiskās difrakcijas robežu. Šis konstrukcijas dizains ļauj gaismas lauku saspiest līdz galējībai, un teorētiski var sasniegt bezgalīgi maza režīma tilpumu, kas ir daudz mazāks nekā optiskās difrakcijas robeža. Turklāt sarežģītā stūra nanokavitācijas struktūra vēl vairāk palielina gaismas lauka uzglabāšanas spēju, piešķirot singularitātes nanoleram īpaši augstas kvalitātes koeficientu un tā optiskā dobuma kvalitātes koeficientu (ti, enerģijas attiecība, kas tiek saglabāta optiskā dobumā uz enerģiju, kas zaudēta vienā ciklā) var pārsniegt 1 miljonu.
Pekinas universitātes komanda turpmāk izstrādāja optiskās frekvences fāzētās masīva tehnoloģiju, kuras pamatā ir nanoLasers. Viņi veiksmīgi demonstrēja jaudīgu sasaistītu koherento lasēšanas tehnoloģiju potenciālu, precīzi kontrolējot katra nanolazera lasing viļņa garumu un fāzi lāzera masīvā. Piemēram, komanda izmantoja šo tehnoloģiju, lai panāktu optiskā frekvences masīva koherentu lasing tādos modeļos kā "P", "K", "U", "Ķīna" un "Ķīna", parādot tās plašās lietojumprogrammu izredzes integrētās fotonikas jomās , mikro-nano gaismas avota bloki un optiskā sakari. (Autors: Ma Renmin, Pekinas universitātes Fizikas skolas profesors)
