Lasrar används allmänt inom kommunikation, medicinsk avbildning och kirurgi, konsumentelektronik och andra områden och har djupt förändrat människors liv. Under de senaste åren, för att göra storleken på lasrar mindre, har forskare utvecklat nanolasatorer, som inte bara främjar miniatyrisering och integration av fotoniska enheter, utan också öppnar nya vägar för att studera interaktionen mellan ljus och materia under extrema förhållanden. Den här artikeln börjar med att generera ljus och tar dig att utforska världen av nanolasers i djupet.
Inom informationstekniken är transistorer och lasrar två kärnkomponenter. Miniatyriseringen av transistorer har främjat den snabba utvecklingen av elektroniska chips och skapat den välkända Moores lag - antalet transistorer som kan rymmas på en integrerad krets kommer att fördubblas var 18: e månad. Denna trend har drivit storleken på de mest avancerade transistorerna till nanometernivån. För närvarande kan mer än 10 miljarder transistorer integreras i mobiltelefonen och datorchips som används av allmänheten, vilket ger dessa enheter kraftfulla informationsbehandlingsfunktioner och främjar ankomsten av den digitala och intelligenta eran. Samtidigt har miniatyriseringen av lasrar utlöst en revolution inom fotonisk teknik. Efter mer än ett halvt sekel av utveckling har miniatyr halvledarlasrar använts i stor utsträckning inom kommunikation, datalagring, medicinsk avbildning och kirurgi, avkänning och mätning, konsumentelektronik, tillsatsstillverkning, visning och belysning och andra fält.
Skalningslasrar är svårare än transistorer eftersom de förlitar sig på mycket olika mikroskopiska partiklar-transistorer förlitar sig på elektroner, medan lasrar förlitar sig på fotoner. I de synliga och nära infraröda band är fotonvåglängder tre storleksordningar högre än våglängderna för elektroner i transistorer. Med förbehåll för diffraktionsgränsen är den minsta lägesvolymen i vilken dessa fotoner kan pressas om nio storleksordningar, eller en miljard gånger, större än för elektroner i en transistor. Kärnutmaningen i att bygga nanoskala -lasrar är hur man bryter igenom diffraktionsgränsen och "komprimerar" fotonens volym till gränsen. Att övervinna detta problem kommer inte bara att främja utvecklingen av fotonisk teknik, utan kommer också att ge upphov till många nya applikationsscenarier. Föreställ dig att när fotoner, som elektroner, kan manipuleras flexibelt i nanometerskalan, kan vi använda ljus för att direkt observera den fina strukturen för DNA, och vi kan också skapa storskaliga optoelektroniska integrerade chips, och informationsbehandlingshastigheten och effektiviteten kommer att vilja bli förbättrad kraftigt.
Under de senaste åren, genom ytplasmoner och lätta fältlokaliseringsmekanismer för singelpunkt, har laserlägesvolymen överskridit den optiska diffraktionsgränsen och gått in i nanoskala, vilket ger upphov till nanolaser.
1. Öppna den ljusa dörren för att utforska det okända
I naturen genereras ljus på två sätt: spontan strålning och stimulerad strålning.
Spontan strålning är en underbar process. Även i fullständigt mörker och utan några externa fotoner kan materien avge ljus på egen hand. Detta beror på att vakuumet inte riktigt är "tomt". Den är fylld med små energifluktuationer, kallad vakuum nollpunktsenergi. Vakuum nollpunktsenergi kan orsaka upphetsade material att frigöra fotoner. Till exempel producerar det att tända ett ljus med levande ljus. Historien om mänsklig användning av eld kan spåras tillbaka till mer än 1 miljon år sedan. Eld förde ljus och värme till mänskliga förfäder och öppnade civilisationens kapitel. Lågor och glödlampor är båda spontana strålningskällor. De förbränner eller värmer för att sätta elektroner i ett högenergitillstånd och släpper sedan fotoner under verkan av vakuumnollpunktsenergi för att belysa världen.
Stimulerad strålning avslöjar en djupare interaktion mellan ljus och materia. När en extern foton passerar genom ett ämne i ett upphetsat tillstånd, utlöser det ämnet att släppa en ny foton som är exakt densamma som den incidentfoton. Denna "kopierade" foton gör ljusstrålen mycket riktad och konsekvent, vilket är den laser vi är bekanta med. Även om uppfinningen av lasern är för mindre än ett sekel sedan, har den snabbt integrerats i det offentliga livet, vilket medför jordskakande förändringar.
Uppfinningen av lasern har öppnat en ljus dörr för mänskligheten för att utforska det okända. Det ger oss kraftfulla verktyg och främjar utvecklingen av modern civilisation. Inom information och kommunikation har lasrar gjort höghastighetsfiberoptisk kommunikation till verklighet och gjort global samtrafik möjlig. Inom medicinsk vård kännetecknas laserkirurgi av hög precision och minimalt invasivitet, vilket ger patienterna säkrare och effektivare behandlingsmetoder. I industriell tillverkning förbättrar och svetsar laserskärning och svetsning produktionseffektivitet och produktprecision, vilket gör att människor kan skapa mer sofistikerade maskiner och utrustning. I vetenskaplig forskning är lasrar nyckelverktyg för gravitationsvågdetektering och kvantinformationsteknologi, vilket hjälper forskare att avslöja universums mysterier.
Från lasertryck och medicinsk skönhet i det dagliga livet till kontrollerad kärnfusion, laserradar och laservapen i banbrytande teknik finns lasrar överallt och har en djup inverkan på utvecklingen av världen. Det har inte bara förändrat vårt sätt att leva, utan också utökat människors förmåga att förstå och förändra naturen.
2. Kraftfulla verktyg för att förstå och utnyttja naturen
Inspirerad av Plancks Svartkroppslagstiftning föreslog Einstein begreppet stimulerad strålning 1917, och denna upptäckt lägger grunden för uppfinningen av lasrar. 1954 rapporterade amerikanska forskare och andra först en mikrovågsoscillator som realiserades genom stimulerad strålning, nämligen en mikrovågsmaser. De använde upphetsade ammoniakmolekyler som förstärkningsmedia och använde en mikrovågsresonanskavitet cirka 12 cm lång för att ge feedback och insåg mikrovågsmaser med en våglängd på cirka 12,56 cm. Mikrovågsmasern betraktas som föregångaren för lasern, men lasern kan producera sammanhängande strålning med högre frekvens, med fördelar såsom mindre volym, högre intensitet och högre information.
1960 uppfann den amerikanska forskaren Maiman den första lasern. Han använde en rubinstång ungefär 1 cm lång som förstärkningsmediet, och de två ändarna av stången var silverpläterade för att fungera som reflektorer för att ge optisk feedback. Under excitation av en flash -lampa producerade enheten en laserutgång med en våglängd av 694,3 nanometer. Det är värt att notera att storleken på mikrovågsmasern är i samma storleksordning som dess våglängd. Enligt detta proportionella förhållande bör laserens storlek vara cirka 700 nanometer. Storleken på den första lasern var emellertid mycket större än denna, med mer än fyra storleksordningar. Det tog cirka 30 år att krympa lasern till en storlek som kan jämföras med våglängden, och det tog ett halvt sekel att bryta igenom våglängdsgränsen och realisera djupa undervåglängdslasrar.
Jämfört med vanliga ljuskällor är strålningsenergin hos mikrovågsmaser och lasrar koncentrerad i ett mycket smalt frekvensområde. Därför kan dessa två uppfinningar betraktas som att lokalisera elektromagnetiska vågor i frekvensutrymme genom stimulerad strålning. Stimulerad strålning kan också användas för att lokalisera elektromagnetiska vågor i tid, fart och rymddimensioner. Genom att lokalisera elektromagnetiska vågor i dessa dimensioner kan laserljuskällor uppnå extremt stabila frekvenssvängningar, ultrakortpulser, hög riktning och extremt små lägesvolymer, vilket gör att vi kan mäta tid, observera snabb rörelse, överföra information och energi över långa avstånd , uppnå enhetsminiatyrisering och få högre avbildningsupplösning.
Sedan tillkomsten av lasrar har människor ständigt bedrivit starkare lokalisering av ljusfält i dimensioner som frekvens, tid, momentum och rymd, främjar den snabba utvecklingen av laserfysikforskning och laserenheter, vilket gör lasrar till ett kraftfullt verktyg för att förstå och använda naturen .
I frekvensdimensionen, genom högkvalitativ kavitet, återkopplingskontroll och miljöisolering, kan lasrar upprätthålla extremt stabila frekvenser, främja genombrott i många stora vetenskapliga forskning, såsom Bose-Einstein-kondensation (Nobelpriset 2001 i fysik), precisionslaserspektroskopi ( 2005 Nobelpris i fysik) och gravitationsvågdetektering (Nobelpris 2017 i fysik).
Under tidsdimensionen gör lägeslåsningsteknologi och högordnad harmonisk generationsteknologi ultrasortlaserpulser till verklighet. Genom extrem tidslokalisering kan ATTOSECOND -lasrar producera lätta pulser som bara varar ungefär en optisk cykel. Detta genombrott gör det möjligt att observera ultrasnabba processer såsom rörelse av elektroner i det inre skiktet av atomer och vann Nobelpriset 2023 i fysik.
I momentumdimensionen har utvecklingen av lasrar med stora områden uppnått en hög grad av lokalisering av ljusfältet i momentumutrymme, vilket gör laserstrålen mycket riktad. Den resulterande mycket kollimerade lasern förväntas främja utvecklingen av ultralångt avstånd mellanstellär höghastighetsoptisk kommunikation.
I den rumsliga dimensionen tillåter introduktionen av ytplasmoner och lokaliseringsmekanismer för singularitetslättfält laserläge -volymen att bryta igenom den optiska diffraktionsgränsen och nå en skala mindre än (λ/2n) 3 (där λ är våglängden för fritt utrymme ljus och n är materialets brytningsindex) och föder därmed nanolasatorer. Framväxten av nanolasers har långtgående betydelse för att innovera informationsteknologi och studera samspelet mellan ljus och materia under extrema förhållanden.
3. Bryt den optiska diffraktionsgränsen
Mer än 30 år efter uppfinningen av lasern, med utvecklingen av mikro-machineringsteknik och en djupare förståelse av laserfysikforskning och laseranordningar, har olika typer av mikro-sememeduktorlasrar utvecklats efter varandra, inklusive mikrodisklasrar , fotoniska kristalldefektlasrar och nanowire -lasrar. 1992 insåg Bell Laboratories i USA framgångsrikt den första mikrodisklaseren, med viskningsgalleriläget i mikrodisken för att låta ljuset upprepade gånger reflektera i mikro-disken, generera resonansåterkoppling och uppnå utsläpp. 1999 insåg California Institute of Technology i USA den första fotoniska kristalldefektlasern genom att införa punktdefekter i tvådimensionella fotoniska kristaller för att begränsa ljuset. 2001 insåg University of California, Berkeley, framgångsrikt halvledare nanowire -lasrar för första gången med hjälp av en nanowire som en reflektor. Dessa lasrar reducerar funktionsstorleken till ordningen på en enda vakuumvåglängd, men på grund av begränsningarna för den optiska diffraktionsgränsen är dessa lasrar baserade på dielektriska resonatorer svåra att ytterligare krympa.
I geometri är längden på den högervinklade sidan av en höger triangel mindre än hypotenusens längd. På mikroskopisk skala, för att bryta diffraktionsgränsen, måste längden på de två högervinklade sidorna vara större än hypotenusen. Under 2009 insåg tre lag i världen först plasmoniska nanolaser som bröt igenom den optiska diffraktionsgränsen. Bland dem insåg teamet vid University of California, Berkeley och Peking University en plasmonisk nanolaser baserad på en endimensionell halvledare nanowire-isolator-metallstruktur; Teamet från Eindhoven University of Technology i Nederländerna och Arizona State University i USA utvecklade en plasmonisk nanolaser baserad på en metall-semitor-metall tre-lagers plattplattstruktur; Teamet vid Norfolk State University och Purdue University i USA demonstrerade en kärnskalstruktur plasmonisk nanolaser baserat på ett metallkärna-inbäddat förstärkningsmediumskal baserat på lokaliserad ytplasmonresonans.
Med andra ord, genom att introducera imaginära enheter i spridningsekvationen, konstruerade forskare faktiskt en speciell triangel med en högervinklat sida längre än hypotenusen. Det är denna speciella triangel som gör att vi fysiskt kan uppnå starkare ljusfältlokalisering.
Efter mer än tio års utveckling har Plasmon -nanolasatorer visat utmärkta egenskaper såsom extremt litet lägesvolym, ultrasnabb moduleringshastighet och låg energiförbrukning. Jämfört med dielektriska material, även om plasmoneffekten kopplar ihop ljusfältet med den kollektiva svängningen av fria elektroner i metaller för att uppnå starkare ljusfältlokalisering, introducerar denna koppling också inneboende ohmiska förluster, vilket leder till värmeproduktion, vilket i sin tur ökar enhetens kraftkraft konsumtion och begränsar dess sammanhållningstid.
År 2024 föreslog Peking University-teamet en ny singularitetsdispersionsekvation, vilket avslöjade spridningsegenskaperna för den all-dielektriska bågen-nanoantenna. Genom att bädda in bågen-bågen nanoantenna i hörnet nanokavitetsstruktur som föreslagits av Peking University-teamet, realiserades en singularitet dielektrisk nanolaser som bryter den optiska diffraktionsgränsen i ett dielektriskt system för första gången. Denna strukturella konstruktion gör det möjligt att komprimeras till det extrema och teoretiskt kan nå en oändligt liten lägesvolym, vilket är mycket mindre än den optiska diffraktionsgränsen. Dessutom förbättrar den sofistikerade strukturen i hörn-nanokaviteten ytterligare lagringskapaciteten för ljusfältet, vilket ger singulariteten nanolaser en ultrahög kvalitetsfaktor och dess optiska kavitetskvalitetsfaktor (dvs. förhållandet mellan energin lagrad i den optiska kaviteten till den förlorade energin per cykel) kan överstiga 1 miljon.
Peking University -teamet utvecklade vidare den optiska frekvensfasade array -tekniken baserad på nanolasatorer. De demonstrerade framgångsrikt den kraftfulla potentialen för arrayed sammanhängande lasingsteknologi genom att exakt kontrollera den spärrande våglängden och fasen för varje nanolaser i laseruppsättningen. Till exempel använde teamet denna teknik för att uppnå optisk frekvensgrupp som är sammanhängande i mönster som "P", "K", "U", "Kina" och "Kina", vilket visar sina breda tillämpningsmöjligheter inom områdena integrerad fotonik , Micro-Nano Light Source-matriser och optisk kommunikation. (Författare: MA Renmin, professor i School of Physics, Peking University)
