Lasers worden op grote schaal gebruikt in communicatie, medische beeldvorming en chirurgie, consumentenelektronica en andere gebieden, en hebben het leven van mensen diep veranderd. In de afgelopen jaren hebben wetenschappers om de grootte van lasers kleiner te maken, nanolasers ontwikkeld, die niet alleen de miniaturisatie en integratie van fotonische apparaten verder bevorderen, maar ook nieuwe paden openen voor het bestuderen van de interactie tussen licht en materie onder extreme omstandigheden. Dit artikel begint met de generatie van licht en neemt je mee om de wereld van nanolasers diepgaand te verkennen.
Op het gebied van informatietechnologie zijn transistors en lasers twee kerncomponenten. De miniaturisatie van transistoren heeft de snelle ontwikkeling van elektronische chips bevorderd en de wet van de bekende Moore voortgebracht - het aantal transistoren dat op een geïntegreerd circuit kan worden ondergebracht, zal om de 18 maanden verdubbelen. Deze trend heeft de grootte van de meest geavanceerde transistoren naar het nanometerniveau geduwd. Momenteel kunnen meer dan 10 miljard transistoren worden geïntegreerd in de mobiele telefoon en computerchips die door het publiek worden gebruikt, waardoor deze apparaten krachtige informatieverwerkingsmogelijkheden hebben en de aankomst van het digitale en intelligente tijdperk bevorderen. Tegelijkertijd heeft de miniaturisatie van lasers een revolutie in fotonische technologie veroorzaakt. Na meer dan een halve eeuw ontwikkeling zijn miniatuur semiconductor -lasers veel gebruikt in communicatie, gegevensopslag, medische beeldvorming en chirurgie, detectie en metingen, consumentenelektronica, additieve productie, display en verlichting en andere gebieden.
Schalen lasers is moeilijker dan transistors omdat ze vertrouwen op zeer verschillende microscopische deeltjes-transisters vertrouwen op elektronen, terwijl lasers vertrouwen op fotonen. In de zichtbare en bijna-infraroodbanden zijn fotongolflengten drie orden van grootte hoger dan de golflengten van elektronen in transistoren. Onder voorbehoud van de diffractielimiet is het minimale modusvolume waarin deze fotonen kunnen worden geperst ongeveer negen orden van grootte, of een miljard keer, groter dan die van elektronen in een transistor. De kernuitdaging bij het bouwen van lasers op nanoschaal is hoe u de diffractielimiet kunt doorbreken en het volume van fotonen tot de limiet kunt "comprimeren". Het overwinnen van dit probleem zal niet alleen de ontwikkeling van fotonische technologie aanzienlijk bevorderen, maar zal ook aanleiding geven tot veel nieuwe applicatiescenario's. Stel je voor dat wanneer fotonen, zoals elektronen, flexibel kunnen worden gemanipuleerd op de nanometerschaal, we licht kunnen gebruiken om direct de fijne structuur van DNA te observeren, en we kunnen ook grootschalige opto-elektronische geïntegreerde chips maken, en de informatieverwerkingstoeheid en -efficiëntie zal Wees sterk verbeterd.
In de afgelopen jaren, door oppervlakte -plasmonen en enkelvoudige lichtveld lokalisatiemechanismen, heeft het volume van de lasermodus de optische diffractielimiet overschreden en de nanoschaal ingevoerd, waardoor nanolasers aanleiding gaven.
1. Open de heldere deur om het onbekende te verkennen
In de natuur wordt licht op twee manieren gegenereerd: spontane straling en gestimuleerde straling.
Spontane straling is een prachtig proces. Zelfs in volledige duisternis en zonder externe fotonen kan materie op zichzelf licht uitzenden. Dit komt omdat het vacuüm niet echt "leeg" is. Het is gevuld met kleine energiekansen, vacuüm nulpuntsenergie genoemd. Vacuüm Zero-Point Energy kan ervoor zorgen dat opgewonden materie fotonen vrijgeeft. Het verlichten van een kaars produceert bijvoorbeeld kaarslicht. De geschiedenis van menselijk gebruik van vuur kan worden teruggevoerd tot meer dan 1 miljoen jaar geleden. Vuur bracht licht en warmte voor menselijke voorouders en opende het hoofdstuk van de beschaving. Vlammen en gloeilampen zijn beide spontane stralingsbronnen. Ze verbranden of verwarmen om elektronen in een energierijke toestand te plaatsen en geven vervolgens fotonen vrij onder de werking van vacuümzero-point energie om de wereld te verlichten.
Stimuleerde straling onthult een diepere interactie tussen licht en materie. Wanneer een extern foton in een opgewonden toestand door een substantie gaat, activeert het de stof om een nieuw foton uit te geven dat precies hetzelfde is als het incidentfoton. Dit "gekopieerde" foton maakt de lichtstraal zeer directioneel en consistent, wat de laser is waarmee we bekend zijn. Hoewel de uitvinding van de laser minder dan een eeuw geleden is, is deze snel geïntegreerd in het openbare leven, waardoor veranderingen op aarde worden veroorzaakt.
De uitvinding van de laser heeft een heldere deur geopend voor de mensheid om het onbekende te verkennen. Het biedt ons krachtige tools en bevordert de ontwikkeling van de moderne beschaving enorm. Op het gebied van informatie en communicatie hebben lasers snelle vezeloptische communicatie een realiteit gemaakt en globale interconnectie mogelijk gemaakt. In de medische zorg wordt laserchirurgie gekenmerkt door hoge precisie en minimaal invasiviteit, waardoor patiënten veiliger en effectievere behandelingsmethoden krijgen. In de industriële productie verbeteren lasersnijen en lassen de productie -efficiëntie en productprecisie, waardoor mensen meer geavanceerde machines en apparatuur kunnen creëren. In wetenschappelijk onderzoek zijn lasers belangrijke hulpmiddelen voor gravitatiegolfdetectie en kwantuminformatietechnologie, waardoor wetenschappers de mysteries van het universum kunnen ontdekken.
Van laserafdrukken en medische schoonheid in het dagelijks leven tot gecontroleerde nucleaire fusie, laserradar en laserwapens in geavanceerde technologie, lasers zijn overal en hebben een grote invloed op de ontwikkeling van de wereld. Het heeft niet alleen onze manier van leven veranderd, maar ook het vermogen van mensen uitgebreid om de natuur te begrijpen en te transformeren.
2. Krachtige hulpmiddelen om de natuur te begrijpen en te benutten
Geïnspireerd door Planck's Blackbody Radiation Law, stelde Einstein het concept van gestimuleerde straling voor in 1917, en deze ontdekking legde de basis voor de uitvinding van lasers. In 1954 meldden Amerikaanse wetenschappers Townes en anderen voor het eerst een microgolf -oscillator gerealiseerd door gestimuleerde straling, namelijk een magnetron maser. Ze gebruikten geëxciteerde ammoniakmoleculen als winstmedia en gebruikten een microgolfresonerende holte van ongeveer 12 cm lang om feedback te geven, waardoor magnetron masers met een golflengte van ongeveer 12,56 cm realiseerden. De magnetron maser wordt beschouwd als de voorganger van de laser, maar de laser kan coherente straling produceren met een hogere frequentie, met voordelen zoals kleiner volume, hogere intensiteit en hogere informatie -draagcapaciteit.
In 1960 vond de Amerikaanse wetenschapper Maiman de eerste laser uit. Hij gebruikte een robijnrode staaf ongeveer 1 cm lang als het versterkingsmedium, en de twee uiteinden van de staaf waren verzilverd om als reflectoren te fungeren om optische feedback te geven. Onder excitatie van een flashlamp produceerde het apparaat een laseruitgang met een golflengte van 694,3 nanometer. Het is vermeldenswaard dat de grootte van de magnetron maser op dezelfde volgorde van grootte is als zijn golflengte. Volgens deze proportionele relatie moet de grootte van de laser ongeveer 700 nanometer zijn. De grootte van de eerste laser was echter veel groter dan deze, met meer dan 4 orden van grootte. Het duurde ongeveer 30 jaar om de laser te verkleinen tot een grootte die vergelijkbaar is met de golflengte, en het duurde een halve eeuw om de golflengtelimiet te doorbreken en diepe subwavellengte lasers te realiseren.
Vergeleken met gewone lichtbronnen, is de stralingsergie van magnetronmasers en lasers geconcentreerd in een zeer smal frequentiebereik. Daarom kunnen deze twee uitvindingen worden beschouwd als lokalisatie van elektromagnetische golven in frequentieruimte door gestimuleerde straling. Stimuleerde straling kan ook worden gebruikt om elektromagnetische golven te lokaliseren in tijd, momentum en ruimteafmetingen. Door elektromagnetische golven in deze afmetingen te lokaliseren, kunnen laserlichtbronnen extreem stabiele frequentie-oscillaties, ultra-short pulsen, hoge directionaliteit en extreem kleine modusvolumes bereiken, waardoor we de tijd nauwkeurig kunnen meten, snelle beweging verzenden, snelle beweging verzenden, informatie en energie over lange afstanden verzenden over lange afstanden , bereik miniaturisatie van apparaten en verkrijg een hogere beeldvormingsresolutie.
Sinds de komst van lasers hebben mensen voortdurend een sterkere lokalisatie van lichte velden in dimensies zoals frequentie, tijd, momentum en ruimte nagestreefd, het bevorderen van de snelle ontwikkeling van onderzoek van laserophysica en laserapparaten, waardoor lasers een krachtig hulpmiddel zijn voor het begrijpen en gebruiken van de natuur .
In de frequentiedimensie, door middel van hoogwaardige holte, feedbackcontrole en milieu-isolatie, kunnen lasers extreem stabiele frequenties handhaven, waarbij doorbraken in veel groot wetenschappelijk onderzoek, zoals Bose-Einstein Condensation (2001 Nobelprijs voor fysica), precisielaserspectroscopie worden gehouden ( 2005 Nobelprijs voor natuurkunde) en gravitatiegolfdetectie (Nobelprijs voor natuurkunde 2017).
In de tijdsdimensie maken modusvergrendelingstechnologie en hoge-orde harmonische generatie-technologie ultrashort laserpulsen realiteit. Door extreme tijd lokalisatie kunnen attoseconde lasers lichtpulsen produceren die slechts ongeveer één optische cyclus duren. Deze doorbraak maakt het mogelijk om ultrasnelle processen te observeren, zoals de beweging van elektronen in de binnenste laag atomen, en won de Nobelprijs van 2023 in de fysica.
In de momentumdimensie heeft de ontwikkeling van lasers met eenmalige single-area een hoge mate van lokalisatie van het lichtveld in momentumruimte bereikt, waardoor de laserstraal zeer directioneel is. De resulterende sterk gecollimeerde laser zal naar verwachting de ontwikkeling van ultra-lange-afstandsinterstellaire high-speed optische communicatie bevorderen.
In de ruimtelijke dimensie kan de introductie van oppervlakte -plasmonen en singulariteitslichtveld lokalisatiemechanismen het volume van de lasermodus door de optische diffractielimiet breken en een schaal lager dan (λ/2n) 3 (waarbij λ de golflengte is van vrije ruimtelicht is en N is de brekingsindex van het materiaal), waardoor nanolasers worden geboorte. De opkomst van nanolasers heeft een verstrekkende betekenis voor innoverende informatietechnologie en het bestuderen van de interactie tussen licht en materie onder extreme omstandigheden.
3. Het doorbreken van de optische diffractielimiet
Meer dan 30 jaar na de uitvinding van de laser, met de bevordering van micro-machelingtechnologie en een dieper inzicht in onderzoek van laserfysica en laserapparaten, zijn verschillende soorten micro-halfgeleiderlasers ontwikkeld na de andere, inclusief micro-disk-lasers , fotonische kristaldefect lasers en nanodraad lasers. In 1992 realiseerden Bell Laboratories in de Verenigde Staten zich met succes de eerste micro-disk-laser, met behulp van de Whispering Gallery-modus in de micro-wegen om licht herhaaldelijk te reflecteren in de micro-disk, resonerende feedback te genereren en lasing te bereiken. In 1999 realiseerde het California Institute of Technology in de Verenigde Staten de eerste fotonische kristaldefectlaser door puntdefecten in tweedimensionale fotonische kristallen te introduceren om licht te beperken. In 2001 realiseerde de Universiteit van Californië, Berkeley, met succes Semiconductor Nanowire Lasers voor het eerst met behulp van het eindgezicht van een nanodraad als reflector. Deze lasers verminderen de functiegrootte tot de volgorde van een enkele vacuümgolflengte, maar vanwege de beperkingen van de optische diffractielimiet zijn deze lasers op basis van diëlektrische resonatoren moeilijk te verkleinen.
In de geometrie is de lengte van de rechthoekige zijde van een rechter driehoek minder dan de lengte van de hypotenuse. Op een microscopische schaal, om de diffractielimiet te doorbreken, moet de lengte van de twee rechthoekige zijden groter zijn dan de hypotenusa. In 2009 realiseerden drie teams ter wereld voor het eerst plasmonische nanolasers die de optische diffractielimiet doorbraken. Onder hen realiseerden het team van de Universiteit van Californië, Berkeley en Peking University een plasmonische nanolaser op basis van een eendimensionale halfgeleider-structuur met nanododel-insulator-metaal; Het team van de Eindhoven University of Technology in Nederland en Arizona State University in de Verenigde Staten ontwikkelde een plasmonische nanolaser op basis van een metaal-halfgeleider-metaal drielaagse platte plaatstructuur; Het team van Norfolk State University en Purdue University in de Verenigde Staten demonstreerde een kernschaalstructuur plasmonische nanolaser op basis van een metalen kern-ingebedde versterking medium shell op basis van gelokaliseerde oppervlakte-plasmonresonantie.
Met andere woorden, door het introduceren van denkbeeldige eenheden in de dispersievergelijking, construeerden wetenschappers eigenlijk een speciale driehoek met een rechtse kant langer dan de hypotenuse. Het is deze speciale driehoek waarmee we fysiek een sterkere lichtveldlokalisatie kunnen bereiken.
Na meer dan 10 jaar ontwikkeling hebben plasmon nanolasers uitstekende kenmerken aangetoond, zoals extreem klein modusvolume, ultrasnelle modulatiesnelheid en een laag energieverbruik. In vergelijking met diëlektrische materialen, hoewel het plasmon -effect het lichtveld koppelt met de collectieve oscillatie van vrije elektronen in metalen om een sterkere lichtveldlokalisatie te bereiken, introduceert deze koppeling ook inherente ohmverliezen, wat leidt tot warmtewedstrijd, wat op zijn beurt verhoogt het apparaatvermogen. consumptie en beperkt zijn coherentietijd.
In 2024 stelde het Peking University-team een nieuwe singulariteitsdispersievergelijking voor, die de dispersiekenmerken van de all-diëlektrische boog-tie nanoantenna onthulde. Door de bow-tie nanoantenna in te bedden in de hoek nanocavity-structuur voorgesteld door het Peking University-team, werd een singulariteit diëlektrische nanolaser die de optische diffractielimiet breekt, voor het eerst in een diëlektrisch systeem gerealiseerd. Met dit structurele ontwerp kan het lichtveld tot extreem worden gecomprimeerd en kan theoretisch een oneindig klein modusvolume bereiken, dat veel kleiner is dan de optische diffractielimiet. Bovendien verbetert de geavanceerde structuur van de hoeknanocavity de opslagcapaciteit van het lichtveld verder, waardoor de singulariteit nanolaser een ultrahoge kwaliteitsfactor is en de optische holtefactor voor optische holte (dat wil zeggen de verhouding van de in de optische holte is opgeslagen in de optische holte tot de verloren energie per cyclus) kan meer dan 1 miljoen zijn.
Het Peking University -team ontwikkelde verder de optische frequentie gefaseerde array -technologie op basis van nanolasers. Ze demonstreerden met succes het krachtige potentieel van array -coherente lasetechnologie door de laserende golflengte en fase van elke nanolaser in de laserarray nauwkeurig te regelen. Het team gebruikte bijvoorbeeld deze technologie om optische frequentie -array coherente lasing te bereiken in patronen zoals "P", "K", "U", "China" en "China", waarmee zijn brede toepassingsperspectieven op het gebied van geïntegreerde fotonica worden aangetoond , Micro-Nano Light Source Arrays en Optical Communications. (Auteur: Ma Renmin, professor van de School of Physics, Peking University)
