A lézereket széles körben használják a kommunikációban, az orvosi képalkotásban és a műtétben, a fogyasztói elektronikában és más területeken, és mélyen megváltoztatták az emberek életét. Az utóbbi években a lézerek méretének kisebbé tétele érdekében a tudósok olyan nanolazsokat fejlesztettek ki, amelyek nemcsak tovább támogatják a fotonikus eszközök miniatürizálását és integrációját, hanem új utakat nyitnak meg a fény és az anyag közötti interakció vizsgálatához extrém körülmények között. Ez a cikk a fény generációjával kezdődik, és elviszi, hogy mélyrehatóan felfedezze a nanolázusok világát.
Az információs technológia területén a tranzisztorok és a lézerek két alapvető elem. A tranzisztorok miniatürizálása elősegítette az elektronikus chipek gyors fejlődését, és a jól ismert Moore -törvényt hozta létre - az integrált áramkörbe beilleszthető tranzisztorok száma körülbelül 18 havonta megduplázódik. Ez a tendencia a legfejlettebb tranzisztorok méretét a nanométer szintjére tolta. Jelenleg több mint 10 milliárd tranzisztor integrálható a közönség által használt mobiltelefonba és számítógépes chipekbe, így ezeknek az eszközöknek hatékony információfeldolgozási képességei és a digitális és intelligens korszak érkezésének előmozdítása. Ugyanakkor a lézerek miniatürizálása forradalmat váltott ki a fotonikus technológiában. Több mint fél évszázados fejlődés után a miniatűr félvezető lézereket széles körben használják a kommunikációban, az adattárolásban, az orvosi képalkotásban és a műtétben, az érzékelésben és a mérésben, a fogyasztói elektronikában, az additív gyártásban, a kijelzőn és a világításban, valamint egyéb területeken.
A lézerek méretezése nehezebb, mint a tranzisztorok, mivel nagyon különböző mikroszkopikus részecskék-transzisztorokra támaszkodnak az elektronokra, míg a lézerek a fotonokra támaszkodnak. A látható és közel infravörös sávokban a fotonhullámhosszok három nagyságrendűek, mint a tranzisztorok elektronok hullámhossza. A diffrakciós határértékre is figyelemmel a minimális üzemmód térfogata, amelybe ezeket a fotonokat meg lehet szorítani, körülbelül kilenc nagyságrendű, vagy milliárdszor nagyobb, mint a tranzisztorban az elektronoké. A nanoméretű lézerek felépítésének alapvető kihívása az, hogyan lehet áttörni a diffrakciós határot, és "összenyomni" a fotonok mennyiségét. A probléma leküzdése nemcsak jelentősen elősegíti a fotonikus technológia fejlődését, hanem számos új alkalmazási forgatókönyvet eredményez. Képzelje el, hogy amikor a fotonok, mint az elektronok, rugalmasan manipulálhatók nanométer skálán, akkor a fényt használhatjuk a DNS finom szerkezetének közvetlen megfigyelésére, és nagyméretű optoelektronikus integrált chipeket is létrehozhatunk, és az információfeldolgozási sebesség és a hatékonyság megtörténik. Legyen nagymértékben javítva.
Az utóbbi években a felszíni plazmonok és a szinguláris pont fénymező lokalizációs mechanizmusain keresztül a lézer üzemmód térfogata meghaladta az optikai diffrakciós határértéket, és belépett a nanoméretbe, ezáltal nanolázusokat eredményezve.
1. Nyissa ki a fényes ajtót az ismeretlen felfedezéséhez
A természetben a fényt kétféle módon generálják: spontán sugárzás és stimulált sugárzás.
A spontán sugárzás csodálatos folyamat. Még a teljes sötétségben és külső fotonok nélkül is az anyag önmagában is fényt bocsáthat ki. Ennek oka az, hogy a vákuum nem igazán "üres". Töltve van apró energiaingadozásokkal, úgynevezett vákuum nulla pont energiával. A vákuum nullapontos energia izgatott anyagot okozhat a fotonok felszabadításához. Például a gyertya megvilágítása gyertyafényt eredményez. A tűz emberi felhasználásának története több mint egymillió évvel ezelőtt vezethető vissza. A tűz fényt és meleget hozott az emberi ősöknek, és megnyitotta a civilizáció fejezetét. A lángok és az izzólámpák egyaránt spontán sugárforrás. Égnek vagy melegítenek, hogy az elektronokat nagy energiájú állapotba helyezzék, majd felszabadítják a fotonokat a vákuum nullapontos energia hatására a világ megvilágításához.
A stimulált sugárzás mélyebb kölcsönhatást mutat a fény és az anyag között. Amikor egy külső foton gerjesztett állapotban áthalad egy anyagon, akkor az anyagot kiváltja egy új foton felszabadításához, amely pontosan megegyezik a beeső fotonnal. Ez a "másolt" foton a fénysugarat nagyon irányba és következetessé teszi, azaz a lézer, amelyet ismerünk. Noha a lézer találmánya kevesebb, mint egy évszázaddal ezelőtt, gyorsan beépült a közéletbe, ami a földrázó változásokat hozta.
A lézer találmánya fényes ajtót nyitott az emberiség számára az ismeretlen felfedezéséhez. Erőteljes eszközöket biztosít nekünk, és nagymértékben elősegíti a modern civilizáció fejlődését. Az információ és a kommunikáció területén a lézerek valósággá tették a nagysebességű száloptikai kommunikációt, és lehetővé tették a globális összekapcsolódást. Az orvosi ellátásban a lézerműtétet nagy pontosságú és minimálisan invazivitás jellemzi, biztonságosabb és hatékonyabb kezelési módszereket biztosítva a betegek számára. Az ipari gyártás során a lézercsökkentés és a hegesztés javítja a termelési hatékonyságot és a termék pontosságát, lehetővé téve az emberek számára, hogy kifinomultabb gépeket és berendezéseket hozzanak létre. A tudományos kutatásban a lézerek kulcsfontosságú eszközök a gravitációs hullámdetektáláshoz és a kvantuminformációs technológiához, segítve a tudósokat az univerzum rejtélyeinek feltárásában.
A lézeres nyomtatástól és az orvosi szépségtől a mindennapi életben a kontrollált nukleáris fúzióig, a lézeres radarig és a lézerfegyverekig a legmodernebb technológiában, a lézerek mindenütt megtalálhatók, és mély hatással vannak a világ fejlődésére. Ez nemcsak megváltoztatta életmódunkat, hanem kibővítette az emberek képességét is, hogy megértsék és átalakítsák a természetet.
2. Erőteljes eszközök a természet megértéséhez és kihasználásához
A Planck fekete test sugárzási törvényének ihlette, Einstein 1917 -ben javasolta a stimulált sugárzás fogalmát, és ez a felfedezés megalapozta a lézerek találmányát. 1954 -ben az amerikai tudósok Townes és mások először egy stimulált sugárzással, nevezetesen egy mikrohullámú maserrel valósultak meg. Izgatott ammóniamolekulákat használtak szerelési tápközegként, és körülbelül 12 cm hosszú mikrohullámú rezonáns üreget használtak, hogy visszacsatolást kapjanak, és a mikrohullámú maserek kb. 12,56 cm hullámhosszúsággal valósulnak meg. A mikrohullámú masert a lézer elődjének tekintik, de a lézer magasabb frekvencián koherens sugárzást eredményezhet, olyan előnyökkel, mint például a kisebb térfogat, a magasabb intenzitás és a magasabb információs hordozó képesség.
1960 -ban Maiman amerikai tudós feltalálta az első lézert. Körülbelül 1 cm hosszú rubin rúdot használt, amikor a nyereségközeget, és a rúd két végét ezüstözötték, hogy reflektorokként működjenek, hogy optikai visszacsatolást kapjanak. Egy flash lámpa gerjesztése alatt az eszköz lézerkimenetet készített, 694,3 nanométer hullámhosszúsággal. Érdemes megjegyezni, hogy a mikrohullámú maser mérete ugyanolyan nagyságrendű, mint a hullámhossza. Ezen arányos kapcsolat szerint a lézer méretének körülbelül 700 nanométernek kell lennie. Az első lézer mérete azonban ennél sokkal nagyobb volt, több mint 4 nagyságrenddel. Körülbelül 30 évbe telt, hogy a lézert a hullámhosszhoz hasonló méretre zsugorítsák, és fél évszázadba telt, hogy áttörjék a hullámhossz -határértéket és megvalósítsák a mély subugóhosszú lézereket.
A szokásos fényforrásokkal összehasonlítva a mikrohullámú maserek és lézerek sugárzási energiája nagyon szűk frekvenciatartományba koncentrálódik. Ezért ezt a két találmányt stimulált sugárzás révén lokalizáló elektromágneses hullámok lokalizálásának tekinthetők. A stimulált sugárzás felhasználható az elektromágneses hullámok időben történő lokalizálására, a lendület és a térméretek. Az elektromágneses hullámok lokalizálásával ezekben a méretekben a lézerfény források rendkívül stabil frekvenciaváltásokat, ultra-rövid impulzusokat, nagy iránymutatást és rendkívül kis üzemmódú mennyiségeket érhetnek el, amelyek lehetővé teszik számunkra az idő pontos mérését, a gyors mozgás megfigyelését, az információkat és az energiát nagy távolságokon keresztül nagy távolságokon keresztül. , érje el az eszköz miniatürizálását, és magasabb képalkotó felbontást kapjon.
A lézerek megjelenése óta az emberek folyamatosan folytatják a fénymezők erősebb lokalizációját olyan dimenziókban, mint a frekvencia, az idő, -
A frekvencia dimenzióban, a kiváló minőségű üreg, a visszacsatolás-szabályozás és a környezeti elszigeteltség révén a lézerek rendkívül stabil frekvenciákat tudnak fenntartani, elősegítve az áttöréseket számos fő tudományos kutatásban, mint például a Bose-Einstein kondenzáció (2001 Nobel-díj a fizikában), a precíziós lézer-spektroszkópiát ( 2005 Nobel -díj a fizikában) és a gravitációs hullámdetektálás (2017 -es Nobel -díj a fizikában).
Az idődimenzióban az üzemmód-reteszelő technológia és a nagyszabású harmonikus generációs technológia az ultrahangzási lézer impulzusokat valósággá teszi. A szélsőséges idő lokalizációja révén az attosekundás lézerek olyan fényimpulzusokat hozhatnak létre, amelyek csak egy optikai ciklusra tartanak. Ez az áttörés lehetővé teszi az ultragyors folyamatok, például az elektronok mozgásának megfigyelését az atomok belső rétegében, és elnyerte a 2023 -as Nobel -díjat a fizikában.
A lendületes dimenzióban a nagy területű egy üzemmódú lézerek kialakulása nagymértékben elérte a fénymező lokalizációját a lendület térben, így a lézernyalábot nagyon irányították. A kapott erősen kollimált lézer várhatóan elősegíti az ultra-hosszúságú csillagközi nagysebességű optikai kommunikáció fejlesztését.
A térbeli dimenzióban a felszíni plazmonok és a szingularitás fénymező lokalizációs mechanizmusainak bevezetése lehetővé teszi a lézer üzemmód térfogatának áttörését az optikai diffrakciós határon, és elérni a (λ/2n) 3 -nál kisebb skálát (ahol λ a szabad tér lámpájának hullámhossza. és n az anyag törésmutatója), így nanolázusok szülése. A nanolázusok megjelenése messzemenő jelentőséggel bír az innovációs információs technológia és a fény és az anyag közötti interakció vizsgálatában szélsőséges körülmények között.
3. Az optikai diffrakciós határ megszakítása
Több mint 30 évvel a lézer feltalálása után, a mikrotermelő technológia fejlődésével és a lézerfizikai kutatások és a lézerkészülékek mélyebb megértésével, különféle típusú mikro-chemancector lézereket fejlesztettek ki egymás után, beleértve a mikro-disk lézereket is , fotonikus kristályhibás lézerek és nanowire lézerek. 1992-ben az Egyesült Államokban a Bell Laboratories sikeresen megvalósította az első mikro-lemez lézert, a Whispering Galéria módot a mikro-lemezen használva, hogy a fény többször tükrözze a mikro-lemezen, rezonancia visszajelzéseket generál és elérje a lasingot. 1999-ben az Egyesült Államok Kaliforniai Technológiai Intézete megvalósította az első fotonikus kristályhibákat azáltal, hogy ponthibákat vezet be kétdimenziós fotonikus kristályokban a fény korlátozása érdekében. 2001 -ben a Berkeley -i Kaliforniai Egyetem sikeresen megvalósította a félvezető nanowire lézereket először, ha egy nanowire végső arcát reflektorként használja. Ezek a lézerek a jellemző méretét egyetlen vákuumhullámhossz -sorrendre csökkentik, de az optikai diffrakciós határ korlátozása miatt ezeket a dielektromos rezonátorokon alapuló lézereket nehéz további zsugorodni.
A geometria esetén a jobb oldali háromszög jobb oldali oldalának hossza kisebb, mint a hipotenus hossza. Mikroszkopikus skálán a diffrakciós határ megszakításához a két jobbszögű oldal hosszának nagyobbnak kell lennie, mint a hypotenuse. 2009 -ben a világ három csapata először realizált plazmonikus nanolázisták, amelyek áttöröttek az optikai diffrakciós határon. Közülük a Kaliforniai Egyetem, a Berkeley és a Pekingi Egyetem csapata felismerte a plazmonikus nanolázist, egy egydimenziós félvezető nanokáber-szigetelő-fémszerkezeten alapuló; A hollandiai Eindhoven Műszaki Egyetem és az Egyesült Államok Arizonai Állami Egyeteme csapata kifejlesztett egy plazmonikus nanolasert, amely fém-szemókocsi-fém háromrétegű síklemezszerkezeten alapul; A Norfolk Állami Egyetem és az Egyesült Államok Purdue Egyetem csapata egy fémmag-magba ágyazott szerelőképességű közepes héjon alapuló mag-héjszerkezeti plazmonikus nanolázerrel mutatta be a lokalizált felszíni plazmon rezonancián alapuló közepes héjat.
Más szavakkal, a képzeletbeli egységek bevezetésével a diszperziós egyenletbe a tudósok valójában egy speciális háromszöget készítettek, amelyek jobb oldali oldalán vannak, mint a hipotenus. Ez a speciális háromszög lehetővé teszi számunkra, hogy fizikailag elérjük az erősebb fénymező lokalizációját.
Több mint 10 éves fejlődés után a plazmon nanolázosok kiváló tulajdonságokat mutattak, mint például a rendkívül kis üzemmód, az ultragyors modulációs sebesség és az alacsony energiafogyasztás. Ugyanakkor a dielektromos anyagokkal összehasonlítva, bár a plazmonhatás a fénymezőt a fémekben a szabad elektronok kollektív oszcillációjával párosítja, hogy az erősebb fénymező lokalizációja elérje, ez a kapcsolás a velejáró ohmikus veszteségeket is bevezeti, ami viszont növeli az eszköz teljesítményét, ami növeli az eszköz teljesítményét. Fogyasztás és korlátozza annak koherencia idejét.
2024-ben a pekingi egyetemi csapat új szingularitás-diszperziós egyenletet javasolt, feltárva az egész dielektromos csokor-nyakkendő diszperziós jellemzőit. Az íj-nyakkendő Nanoantenna beágyazásával a Pekingi Egyetemi csapat által javasolt sarok nanokavitási struktúrába, egy szingularitás dielektromos nanolazer, amely megszakítja az optikai diffrakciós határértéket egy dielektromos rendszerben. Ez a szerkezeti kialakítás lehetővé teszi a fénymező szélsőségének tömörítését, és elméletileg elérheti a végtelenül kicsi üzemmódot, amely sokkal kisebb, mint az optikai diffrakciós határ. Ezenkívül a sarok nanokavitás kifinomult szerkezete tovább javítja a fénymező tárolási kapacitását, így a szingularitás nanolasernek rendkívül magas színvonalú tényezőt és optikai üregminőségi tényezőjét (azaz az optikai üregben tárolt energia aránya az optikai üregben tárolt energia aránya. a ciklusonként elveszített energia) meghaladhatja az 1 millióot.
A Pekingi Egyetemi csapat tovább fejlesztette az optikai frekvenciás fázisú tömb technológiát a nanolázusok alapján. Sikeresen bebizonyították a tömörített koherens lasing technológia erőteljes potenciálját azáltal, hogy pontosan szabályozták az egyes nanolázok lasing hullámhosszát és fázisát a lézer tömbbe. Például a csapat ezt a technológiát az optikai frekvenciatömlő koherens lezinálására használja olyan mintákban, mint a "P", "K", "U", "Kína" és "Kína", bemutatva annak széles körű alkalmazási kilátásait az integrált fotonika területén. , mikro-nano fényforrás-tömbök és optikai kommunikáció. (Szerző: Ma Renmin, a Pekingi Egyetem Fizikai Iskolájának professzora)
