مفهوم وتصنيف الليزر النانوي

الليزر النانوي هو نوع من الأجهزة الدقيقة والنانوية المصنوعة من مواد نانوية، مثل الأسلاك النانوية التي تعمل كمرنان، ويمكنه إصدار شعاع ليزر عند تحفيزه ضوئيًا أو كهربائيًا. غالبًا ما يكون حجم هذا الليزر بضع مئات أو حتى عشرات الميكرونات، ويصل قطره إلى رتبة النانومتر، مما يجعله عنصرًا هامًا في شاشات الأغشية الرقيقة المستقبلية، والبصريات المتكاملة، وغيرها من المجالات.

تصنيف الليزر النانوي:

1. ليزر الأسلاك النانوية

في عام 2001، ابتكر باحثون في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، بالولايات المتحدة الأمريكية، أصغر ليزر في العالم - الليزر النانوي - على سلك نانوي بصري لا يتجاوز طوله جزءًا من ألف من طول شعرة الإنسان. لا يقتصر هذا الليزر على إصدار أشعة فوق بنفسجية فحسب، بل يمكن ضبطه أيضًا لإصدار أشعة تتراوح أطوالها الموجية من الأزرق إلى الأشعة فوق البنفسجية العميقة. استخدم الباحثون تقنية قياسية تُسمى "التكوين السطحي الموجه" لإنتاج الليزر من بلورات أكسيد الزنك النقي. في البداية، قاموا بـ"زراعة" أسلاك نانوية، أي تشكيلها على طبقة من الذهب بقطر يتراوح بين 20 و150 نانومترًا وطول 10000 نانومتر من أسلاك أكسيد الزنك النقي. بعد ذلك، عندما قام الباحثون بتنشيط بلورات أكسيد الزنك النقية في الأسلاك النانوية باستخدام ليزر آخر داخل دفيئة، أصدرت هذه البلورات ليزرًا بطول موجي لا يتجاوز 17 نانومترًا. يمكن استخدام هذه الليزرات النانوية مستقبلًا لتحديد المواد الكيميائية وتحسين سعة تخزين المعلومات في أقراص الحاسوب والحواسيب الضوئية.

2. ليزر نانوي فوق بنفسجي

بعد ظهور الليزرات الميكروية، وليزر الأقراص الميكروية، وليزر الحلقات الميكروية، وليزر الانهيار الكمومي، تمكن الكيميائي يانغ بيدونغ وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، من تصنيع ليزرات نانوية تعمل في درجة حرارة الغرفة. يستطيع هذا الليزر النانوي المصنوع من أكسيد الزنك إصدار شعاع ليزر بعرض خط طيفي أقل من 0.3 نانومتر وطول موجي 385 نانومتر عند إثارته بالضوء، ما يجعله أصغر ليزر في العالم، وأحد أوائل الأجهزة العملية المصنعة باستخدام تقنية النانو. في المراحل الأولى من التطوير، توقع الباحثون أن يكون هذا الليزر النانوي المصنوع من أكسيد الزنك سهل التصنيع، وعالي السطوع، وصغير الحجم، وأن أداءه يُضاهي أو حتى يتفوق على أداء ليزرات نيتريد الغاليوم الزرقاء. وبفضل إمكانية تصنيع مصفوفات أسلاك نانوية عالية الكثافة، يُمكن استخدام ليزرات أكسيد الزنك النانوية في العديد من التطبيقات التي لا يُمكن تحقيقها باستخدام أجهزة زرنيخيد الغاليوم الحالية. ولإنتاج هذه الليزرات، يتم تصنيع أسلاك أكسيد الزنك النانوية باستخدام طريقة نقل الغاز التي تُحفز نمو البلورات المتنامية. أولًا، تُغطى ركيزة الياقوت بطبقة من الذهب بسمك يتراوح بين 1 و3.5 نانومتر، ثم توضع على قارب من الألومينا. يُسخّن كل من المادة والركيزة إلى درجة حرارة تتراوح بين 880 و905 درجة مئوية في تيار من الأمونيا لإنتاج بخار الزنك، ثم يُنقل بخار الزنك إلى الركيزة. خلال عملية نمو استغرقت من دقيقتين إلى 10 دقائق، تم توليد أسلاك نانوية بأقطار تتراوح بين 2 و10 ميكرومتر ذات مقطع عرضي سداسي. وجد الباحثون أن سلك أكسيد الزنك النانوي يُشكّل تجويف ليزر طبيعي بقطر يتراوح بين 20 و150 نانومتر، وأن معظمه (95%) يتراوح قطره بين 70 و100 نانومتر. لدراسة الانبعاث المحفز للأسلاك النانوية، قام الباحثون بضخ العينة ضوئيًا في دفيئة باستخدام خرج التوافقي الرابع لليزر Nd:YAG (طول موجي 266 نانومتر، عرض نبضة 3 نانوثانية). أثناء تطور طيف الانبعاث، يزداد شدة الضوء مع زيادة قدرة الضخ. وعندما يتجاوز الانبعاث عتبة أسلاك أكسيد الزنك النانوية (حوالي 40 كيلوواط/سم²)، تظهر أعلى نقطة في طيف الانبعاث. يقل عرض خط هذه النقاط عن 0.3 نانومتر، أي أقل من 1/50 من عرض خط الانبعاث من قمة الانبعاث أسفل العتبة. وقد دفعت هذه الخطوط الضيقة والزيادات السريعة في شدة الانبعاث الباحثين إلى استنتاج أن الانبعاث المحفز يحدث بالفعل في هذه الأسلاك النانوية. لذلك، يمكن أن تعمل مصفوفة الأسلاك النانوية هذه كمرنان طبيعي، وبالتالي تصبح مصدر ليزر دقيقًا مثاليًا. ويعتقد الباحثون أن هذا الليزر النانوي ذو الطول الموجي القصير يمكن استخدامه في مجالات الحوسبة الضوئية وتخزين المعلومات والتحليل النانوي.

3. ليزرات البئر الكمومي

قبل وبعد عام 2010، كان عرض الخط المحفور على رقاقة أشباه الموصلات يصل إلى 100 نانومتر أو أقل، وكان عدد الإلكترونات المتحركة في الدائرة محدودًا للغاية، وكان لزيادة أو نقصان أي إلكترون تأثير كبير على عمل الدائرة. ولحل هذه المشكلة، ظهرت ليزرات الآبار الكمومية. في ميكانيكا الكم، يُطلق على مجال الجهد الذي يُقيد حركة الإلكترونات ويُكمّمها اسم البئر الكمومي. يُستخدم هذا التقييد الكمومي لتشكيل مستويات طاقة كمومية في الطبقة النشطة لليزر شبه الموصل، بحيث يُهيمن الانتقال الإلكتروني بين مستويات الطاقة على الإشعاع المُثار لليزر، وهو ما يُعرف بليزر البئر الكمومي. يوجد نوعان من ليزرات الآبار الكمومية: ليزرات الخطوط الكمومية وليزر النقاط الكمومية.

① ليزر الخط الكمي

طوّر العلماء ليزرات سلكية كمومية تفوق قوة الليزرات التقليدية بألف ضعف، ما يمثل خطوة كبيرة نحو ابتكار أجهزة كمبيوتر وأجهزة اتصال أسرع. وقد طُوّر هذا الليزر، القادر على زيادة سرعة نقل الصوت والفيديو والإنترنت وغيرها من أشكال الاتصال عبر شبكات الألياف الضوئية، على يد علماء من جامعة ييل، ومختبرات لوسنت تكنولوجيز بيل لابز في نيوجيرسي، ومعهد ماكس بلانك للفيزياء في دريسدن بألمانيا. ومن شأن هذه الليزرات عالية الطاقة أن تقلل الحاجة إلى أجهزة إعادة الإرسال المكلفة، والتي تُركّب كل 80 كيلومترًا (50 ميلًا) على طول خط الاتصال، والتي تُنتج بدورها نبضات ليزر أقل كثافة أثناء انتقالها عبر الألياف (أجهزة إعادة الإرسال).