مفهوم وتصنيف الليزرات النانوية

الليزر النانوي هو نوع من الأجهزة الدقيقة والنانوية، مصنوع من مواد نانوية مثل الأسلاك النانوية كمرنان، ويمكنه إصدار ليزر تحت تأثير الإثارة الضوئية أو الكهربائية. غالبًا ما يكون حجم هذا الليزر مئات أو حتى عشرات الميكرونات فقط، ويصل قطره إلى نانومتر، وهو جزء مهم 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، أصغر ليزر في العالم - ليزرات نانوية - على سلك نانوي بصري لا يتجاوز طوله واحدًا على ألف من شعرة الإنسان. لا يُصدر هذا الليزر أشعة ليزر فوق بنفسجية فحسب، بل يُمكن أيضًا ضبطه لإصدار أشعة ليزر تتراوح من الأزرق إلى الأشعة فوق البنفسجية العميقة. استخدم الباحثون تقنية قياسية تُسمى التفرع الموجه لإنتاج الليزر من بلورات أكسيد الزنك النقي. قاموا أولاً "بزراعة" أسلاك نانوية، أي مُشكّلة على طبقة ذهبية يتراوح قطرها بين 20 نانومتر و150 نانومتر وطول أسلاك أكسيد الزنك النقية 10000 نانومتر. بعد ذلك، عندما نشّط الباحثون بلورات أكسيد الزنك النقية في الأسلاك النانوية باستخدام ليزر آخر تحت الدفيئة، أصدرت بلورات أكسيد الزنك النقية ليزرًا بطول موجي يبلغ 17 نانومترًا فقط. يمكن استخدام هذه الليزرات النانوية في النهاية لتحديد المواد الكيميائية وتحسين سعة تخزين المعلومات لأقراص الكمبيوتر وأجهزة الكمبيوتر الفوتونية.

2. ليزر النانو فوق البنفسجي

بعد ظهور الليزرات الدقيقة، وليزرات الأقراص الدقيقة، وليزرات الحلقات الدقيقة، وليزرات الانهيار الكمومي، صنع الكيميائي يانغ بيدونغ وزملاؤه في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، ليزرات نانوية تعمل في درجة حرارة الغرفة. يستطيع ليزر أكسيد الزنك النانوي هذا إصدار ليزر بعرض خطي أقل من 0.3 نانومتر وطول موجي 385 نانومتر تحت تأثير الضوء، وهو يُعتبر أصغر ليزر في العالم وأحد أوائل الأجهزة العملية المُصنّعة باستخدام تقنية النانو. في المرحلة الأولى من التطوير، توقع الباحثون أن يتميز ليزر أكسيد الزنك النانوي هذا بسهولة التصنيع، ودرجة سطوع عالية، وحجم صغير، وأداء يُضاهي أو يتفوق على ليزرات نيتريد الغاليوم الزرقاء. بفضل قدرته على صنع مصفوفات أسلاك نانوية عالية الكثافة، يُمكن ليزر أكسيد الزنك النانوي دخول العديد من التطبيقات التي لا يُمكن استخدامها مع أجهزة زرنيخيد الغاليوم الحالية. ولتطوير مثل هذه الليزرات، يُصنّع سلك أكسيد الزنك النانوي بطريقة نقل الغاز التي تُحفّز نمو البلورات الفوقية. أولاً، تُغطى ركيزة الياقوت بطبقة من فيلم ذهبي بسمك 1 نانومتر إلى 3.5 نانومتر، ثم توضع على قارب الألومينا، وتُسخن المادة والركيزة إلى 880 درجة مئوية إلى 905 درجة مئوية في تدفق الأمونيا لإنتاج بخار الزنك، ثم يُنقل بخار الزنك إلى الركيزة. تم إنشاء أسلاك نانوية تتراوح أطوالها بين 2 ميكرومتر و10 ميكرومتر بمساحة مقطع عرضي سداسي في عملية النمو التي تستغرق دقيقتين إلى 10 دقائق. وجد الباحثون أن سلك أكسيد الزنك النانوي يشكل تجويف ليزر طبيعي بقطر يتراوح بين 20 نانومتر و150 نانومتر، ومعظم قطره (95%) يتراوح بين 70 نانومتر و100 نانومتر. لدراسة الانبعاث المحفز للأسلاك النانوية، قام الباحثون بضخ العينة بصريًا في دفيئة باستخدام الناتج التوافقي الرابع لليزر Nd:YAG (طول موجة 266 نانومتر، وعرض نبضة 3 نانوثانية). أثناء تطور طيف الانبعاث، يُصبح الضوء مُشعًا بزيادة طاقة المضخة. عندما يتجاوز الليزر عتبة أسلاك أكسيد الزنك النانوية (حوالي 40 كيلو واط/سم)، ستظهر أعلى نقطة في طيف الانبعاث. عرض خط هذه النقاط الأعلى أقل من 0.3 نانومتر، أي أقل بأكثر من 1/50 من عرض الخط من قمة الانبعاث أسفل العتبة. دفعت هذه الخطوط الضيقة والزيادات السريعة في شدة الانبعاث الباحثين إلى استنتاج أن الانبعاث المُحفَّز يحدث بالفعل في هذه الأسلاك النانوية. لذلك، يمكن أن تعمل مصفوفة الأسلاك النانوية هذه كمرنان طبيعي، وبالتالي تصبح مصدر ليزر دقيق مثالي. يعتقد الباحثون أنه يمكن استخدام ليزر النانو قصير الموجة هذا في مجالات الحوسبة البصرية وتخزين المعلومات والمحللات النانوية.

3. ليزرات 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 تتحرك في الدائرة، وسيكون لزيادة الإلكترون ونقصانه تأثير كبير على تشغيل الدائرة. لحل هذه المشكلة، وُلدت ليزرات الآبار الكمومية. في ميكانيكا الكم، يُطلق على المجال المحتمل الذي يقيد حركة الإلكترونات ويكممها اسم البئر الكمومية. يُستخدم هذا القيد الكمومي لتكوين مستويات طاقة كمومية في الطبقة النشطة من ليزر أشباه الموصلات، بحيث يهيمن الانتقال الإلكتروني بين مستويات الطاقة على الإشعاع المثار لليزر، وهو ليزر بئر كمومية. يوجد نوعان من ليزرات الآبار الكمومية: ليزرات خط الكم وليزرات النقاط الكمومية.

① ليزر خطي كمي

طوّر العلماء ليزرات سلكية كمومية أقوى بألف مرة من الليزرات التقليدية، محققين بذلك خطوةً كبيرةً نحو تطوير حواسيب وأجهزة اتصال أسرع. طُوّر هذا الليزر، الذي يُمكنه زيادة سرعة الصوت والفيديو والإنترنت وغيرها من أشكال الاتصال عبر شبكات الألياف الضوئية، من قِبل علماء في جامعة ييل، ومختبرات بيل التابعة لشركة لوسنت تكنولوجيز في نيوجيرسي، ومعهد ماكس بلانك للفيزياء في دريسدن، ألمانيا. ستُقلّل هذه الليزرات عالية الطاقة من الحاجة إلى أجهزة إعادة الإرسال باهظة الثمن، والتي تُركّب كل 80 كيلومترًا (50 ميلًا) على طول خط الاتصال، مما يُنتج نبضات ليزر أقل كثافةً أثناء مرورها عبر الألياف (أجهزة إعادة الإرسال).