مفهوم وتصنيف الليزر النانوي

Nanolaser هو نوع من الأجهزة الدقيقة والنانوية المصنوعة من مواد متناهية الصغر مثل الأسلاك النانوية كرنان ويمكن أن ينبعث منها الليزر تحت الإثارة الضوئية أو الإثارة الكهربائية. غالبًا ما يكون حجم هذا الليزر مئات الميكرونات فقط أو حتى عشرات الميكرونات، ويصل القطر إلى ترتيب النانومتر، وهو جزء مهم من عرض الأفلام الرقيقة المستقبلية والبصريات المتكاملة وغيرها من المجالات.

تصنيف الليزر النانوي:

1. ليزر أسلاك متناهية الصغر

وفي عام 2001، ابتكر باحثون في جامعة كاليفورنيا في بيركلي بالولايات المتحدة أصغر ليزر في العالم ـ الليزر النانوي ـ على سلك ضوئي نانوي لا يتجاوز طوله واحد على الألف من طول شعرة الإنسان. لا يصدر هذا الليزر أشعة الليزر فوق البنفسجية فحسب، بل يمكن أيضًا ضبطه لإصدار أشعة ليزر تتراوح من اللون الأزرق إلى الأشعة فوق البنفسجية العميقة. استخدم الباحثون تقنية قياسية تسمى النبتة الموجهة لإنشاء الليزر من بلورات أكسيد الزنك النقي. لقد قاموا أولاً "بزراعة" أسلاك نانوية، أي تم تشكيلها على طبقة ذهبية يتراوح قطرها من 20 نانومتر إلى 150 نانومتر وطولها 10000 نانومتر من أسلاك أكسيد الزنك النقي. بعد ذلك، عندما قام الباحثون بتنشيط بلورات أكسيد الزنك النقي في الأسلاك النانوية باستخدام ليزر آخر تحت الدفيئة، أصدرت بلورات أكسيد الزنك النقي ليزرًا بطول موجة يبلغ 17 نانومتر فقط. يمكن في نهاية المطاف استخدام مثل هذه الليزرات النانوية لتحديد المواد الكيميائية وتحسين سعة تخزين المعلومات لأقراص الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر الضوئية.

2. الليزر النانوي فوق البنفسجي

بعد ظهور أجهزة الليزر الدقيقة، وأشعة الليزر ذات الأقراص الدقيقة، وأشعة الليزر ذات الحلقات الدقيقة، وأشعة الليزر الكمومية، قام الكيميائي يانج بيدونج وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، بصنع ليزرات نانوية بدرجة حرارة الغرفة. يمكن لهذا الليزر النانوي بأكسيد الزنك أن ينبعث ليزر بعرض خط أقل من 0.3 نانومتر وطول موجي 385 نانومتر تحت الإثارة الضوئية، والذي يعتبر أصغر ليزر في العالم وأحد الأجهزة العملية الأولى المصنعة باستخدام تكنولوجيا النانو. في المرحلة الأولى من التطوير، توقع الباحثون أن ليزر ZnO النانوي سهل التصنيع، وسطوع عالي، وصغر الحجم، وأداء مساوٍ أو حتى أفضل من ليزر GaN الأزرق. نظرًا للقدرة على صنع مصفوفات أسلاك متناهية الصغر عالية الكثافة، يمكن لأشعة الليزر النانوية ZnO الدخول في العديد من التطبيقات غير الممكنة باستخدام أجهزة GaAs الحالية. من أجل تنمية مثل هذه الليزرات، يتم تصنيع أسلاك أكسيد الزنك النانوية بطريقة نقل الغاز التي تحفز نمو البلورات الفوقي. أولاً، يتم طلاء ركيزة الياقوت بطبقة من فيلم ذهبي بسمك 1 نانومتر ~ 3.5 نانومتر، ثم وضعها على قارب ألومينا، ويتم تسخين المادة والركيزة إلى 880 درجة مئوية ~ 905 درجة مئوية في تدفق الأمونيا لإنتاج بخار الزنك، ومن ثم يتم نقل بخار الزنك إلى الركيزة. تم إنشاء أسلاك نانوية من 2μm ~ 10μm مع مساحة مقطعية سداسية في عملية النمو لمدة 2min ~ 10min. وجد الباحثون أن أسلاك أكسيد الزنك النانوية تشكل تجويف ليزر طبيعي يبلغ قطره من 20 نانومتر إلى 150 نانومتر، ومعظم قطره (95%) يتراوح بين 70 نانومتر إلى 100 نانومتر. لدراسة الانبعاث المحفز للأسلاك النانوية، قام الباحثون بضخ العينة بصريًا في دفيئة مع الخرج التوافقي الرابع لليزر Nd:YAG (طول موجة 266 نانومتر، عرض نبضة 3 نانوثانية). أثناء تطور طيف الانبعاث، يتوهج الضوء مع زيادة قوة المضخة. عندما يتجاوز الليزر عتبة أسلاك أكسيد الزنك النانوية (حوالي 40 كيلو واط/سم)، ستظهر أعلى نقطة في طيف الانبعاث. عرض الخط لهذه النقاط العليا أقل من 0.3 نانومتر، وهو أقل بنسبة 1/50 من عرض الخط من قمة الانبعاث أسفل العتبة. أدت هذه الخطوط الضيقة والزيادات السريعة في كثافة الانبعاث إلى استنتاج الباحثين أن الانبعاث المحفز يحدث بالفعل في هذه الأسلاك النانوية. لذلك، يمكن أن تعمل مجموعة الأسلاك النانوية هذه كرنان طبيعي وبالتالي تصبح مصدرًا مثاليًا لليزر الدقيق. ويعتقد الباحثون أن هذا الليزر النانوي ذو الطول الموجي القصير يمكن استخدامه في مجالات الحوسبة البصرية وتخزين المعلومات والمحلل النانوي.

3. ليزر الآبار الكمومية

قبل عام 2010 وبعده، سيصل عرض الخط المحفور على شريحة أشباه الموصلات إلى 100 نانومتر أو أقل، ولن يكون هناك سوى عدد قليل من الإلكترونات التي تتحرك في الدائرة، وسيكون لزيادة ونقصان الإلكترون تأثير كبير على عمل الإلكترون الدائرة. ولحل هذه المشكلة، وُلدت أشعة ليزر الآبار الكمومية. في ميكانيكا الكم، يسمى المجال المحتمل الذي يقيد حركة الإلكترونات ويكممها بالبئر الكمومية. ويستخدم هذا القيد الكمي لتكوين مستويات الطاقة الكمومية في الطبقة النشطة من ليزر أشباه الموصلات، بحيث يهيمن الانتقال الإلكتروني بين مستويات الطاقة على الإشعاع المثار لليزر، وهو ليزر بئر الكم. هناك نوعان من ليزر الآبار الكمومية: ليزر الخط الكمي وليزر النقاط الكمومية.

① ليزر الخط الكمي

طور العلماء أجهزة ليزر سلكية كمومية أقوى بـ 1000 مرة من أجهزة الليزر التقليدية، مما يمثل خطوة كبيرة نحو إنشاء أجهزة كمبيوتر وأجهزة اتصال أسرع. وقد تم تطوير الليزر، الذي يمكنه زيادة سرعة الصوت والفيديو والإنترنت وأشكال الاتصال الأخرى عبر شبكات الألياف الضوئية، من قبل علماء في جامعة ييل، ومختبرات لوسنت تكنولوجيز بيل في نيوجيرسي، ومعهد ماكس بلانك للفيزياء في دريسدن. ألمانيا. من شأن أجهزة الليزر ذات الطاقة العالية أن تقلل من الحاجة إلى أجهزة إعادة الإرسال باهظة الثمن، والتي يتم تركيبها كل 80 كيلومترًا (50 ميلًا) على طول خط الاتصال، مما ينتج مرة أخرى نبضات ليزر أقل كثافة أثناء انتقالها عبر الألياف (أجهزة إعادة الإرسال).