แนวคิดและการจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์

Nanolaser เป็นอุปกรณ์ไมโครและนาโนชนิดหนึ่งที่ทำจากวัสดุนาโน เช่น เส้นลวดนาโน เป็นตัวสะท้อนคลื่น และสามารถปล่อยเลเซอร์ภายใต้การกระตุ้นด้วยแสงหรือการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า ขนาดของเลเซอร์นี้มักจะมีเพียงหลายร้อยไมครอนหรือหลายสิบไมครอน และเส้นผ่านศูนย์กลางขึ้นอยู่กับลำดับนาโนเมตร ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของการแสดงฟิล์มบางในอนาคต ระบบออพติกแบบรวม และสาขาอื่นๆ

การจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์:

1. เลเซอร์นาโนไวร์

ในปี 2544 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ในสหรัฐอเมริกา ได้สร้างเลเซอร์นาโนเลเซอร์ที่เล็กที่สุดในโลกบนลวดนาโนออปติกเพียงหนึ่งในพันของความยาวของเส้นผมมนุษย์ เลเซอร์นี้ไม่เพียงแต่ปล่อยแสงเลเซอร์อัลตราไวโอเลตเท่านั้น แต่ยังสามารถปรับให้ปล่อยแสงเลเซอร์ได้ตั้งแต่สีน้ำเงินไปจนถึงอัลตราไวโอเลตลึกอีกด้วย นักวิจัยใช้เทคนิคมาตรฐานที่เรียกว่า epiphytation แบบมุ่งเน้นเพื่อสร้างเลเซอร์จากผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ ขั้นแรกพวกเขา "เพาะเลี้ยง" เส้นลวดนาโน ซึ่งก่อตัวบนชั้นทองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 นาโนเมตรถึง 150 นาโนเมตร และลวดซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ความยาว 10,000 นาโนเมตร จากนั้น เมื่อนักวิจัยเปิดใช้งานผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ในเส้นลวดนาโนด้วยเลเซอร์อีกตัวใต้เรือนกระจก ผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์จะปล่อยเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเพียง 17 นาโนเมตร เลเซอร์นาโนดังกล่าวสามารถใช้เพื่อระบุสารเคมีและปรับปรุงความสามารถในการจัดเก็บข้อมูลของดิสก์คอมพิวเตอร์และคอมพิวเตอร์โฟโตนิกได้ในที่สุด

2. นาโนเลเซอร์อัลตราไวโอเลต

หลังจากการกำเนิดของไมโครเลเซอร์ ไมโครดิสก์เลเซอร์ เลเซอร์ไมโครริง และเลเซอร์ควอนตัมถล่ม นักเคมี Yang Peidong และเพื่อนร่วมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้สร้างนาโนเลเซอร์ที่อุณหภูมิห้อง นาโนเลเซอร์ซิงค์ออกไซด์นี้สามารถปล่อยเลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นน้อยกว่า 0.3 นาโนเมตร และความยาวคลื่น 385 นาโนเมตรภายใต้การกระตุ้นด้วยแสง ซึ่งถือเป็นเลเซอร์ที่เล็กที่สุดในโลกและเป็นหนึ่งในอุปกรณ์เชิงปฏิบัติรุ่นแรกๆ ที่ผลิตโดยใช้นาโนเทคโนโลยี ในระยะเริ่มแรกของการพัฒนา นักวิจัยคาดการณ์ว่านาโนเลเซอร์ ZnO นี้ผลิตได้ง่าย มีความสว่างสูง ขนาดเล็ก และประสิทธิภาพเทียบเท่าหรือดีกว่าเลเซอร์สีน้ำเงิน GaN เสียอีก เนื่องจากความสามารถในการสร้างอาร์เรย์สายนาโนที่มีความหนาแน่นสูง นาโนเลเซอร์ ZnO จึงสามารถเข้าสู่แอปพลิเคชันจำนวนมากที่ไม่สามารถทำได้ในอุปกรณ์ GaAs ในปัจจุบัน เพื่อที่จะขยายเลเซอร์ดังกล่าว ลวดนาโน ZnO จะถูกสังเคราะห์โดยวิธีการขนส่งก๊าซ ซึ่งกระตุ้นการเติบโตของผลึกอีปิแอกเซียล ขั้นแรก พื้นผิวแซฟไฟร์จะถูกเคลือบด้วยชั้นฟิล์มทองหนา 1 นาโนเมตร ~ 3.5 นาโนเมตร จากนั้นนำไปวางบนเรืออลูมินา วัสดุและพื้นผิวจะถูกให้ความร้อนถึง 880 ° C ~ 905 ° C ในกระแสแอมโมเนียเพื่อผลิต ไอน้ำสังกะสี จากนั้นไอน้ำสังกะสีจะถูกส่งไปยังสารตั้งต้น เส้นลวดนาโนขนาด 2μm~10μm พร้อมพื้นที่หน้าตัดหกเหลี่ยมถูกสร้างขึ้นในกระบวนการเติบโตที่ 2 นาที ~ 10 นาที นักวิจัยพบว่าลวดนาโน ZnO ก่อตัวเป็นช่องเลเซอร์ธรรมชาติที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 นาโนเมตรถึง 150 นาโนเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนใหญ่ (95%) คือ 70 นาโนเมตรถึง 100 นาโนเมตร เพื่อศึกษาการปล่อยก๊าซกระตุ้นของเส้นลวดนาโน นักวิจัยได้ปั๊มตัวอย่างในเรือนกระจกด้วยแสงฮาร์โมนิกเอาท์พุตที่สี่ของเลเซอร์ Nd:YAG (ความยาวคลื่น 266 นาโนเมตร ความกว้างพัลส์ 3ns) ในระหว่างวิวัฒนาการของสเปกตรัมการปล่อยแสง แสงจะสว่างขึ้นพร้อมกับการเพิ่มขึ้นของกำลังของปั๊ม เมื่อการเลเซอร์เกินเกณฑ์ของลวดนาโน ZnO (ประมาณ 40kW/cm) จุดสูงสุดจะปรากฏในสเปกตรัมการปล่อยก๊าซ ความกว้างของเส้นของจุดสูงสุดเหล่านี้น้อยกว่า 0.3 นาโนเมตร ซึ่งน้อยกว่าความกว้างของเส้นจากจุดยอดการปล่อยก๊าซที่ต่ำกว่าเกณฑ์มากกว่า 1/50 ความกว้างของเส้นสายที่แคบและการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความเข้มของการปล่อยก๊าซทำให้นักวิจัยสรุปได้ว่าการปล่อยก๊าซกระตุ้นเกิดขึ้นจริงในเส้นลวดนาโนเหล่านี้ ดังนั้นอาร์เรย์ลวดนาโนนี้สามารถทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนเสียงตามธรรมชาติและกลายเป็นแหล่งเลเซอร์ขนาดเล็กในอุดมคติ นักวิจัยเชื่อว่านาโนเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นนี้สามารถนำไปใช้ในด้านการประมวลผลแบบออปติคอล การจัดเก็บข้อมูล และเครื่องวิเคราะห์นาโน

3. เลเซอร์ควอนตัมหลุม

ก่อนและหลังปี 2010 ความกว้างของเส้นที่สลักบนชิปเซมิคอนดักเตอร์จะสูงถึง 100 นาโนเมตรหรือน้อยกว่า และจะมีอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวที่เคลื่อนที่ในวงจร และการเพิ่มขึ้นและลดลงของอิเล็กตรอนจะมีผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของ วงจร เพื่อแก้ปัญหานี้ เลเซอร์ควอนตัมหลุมจึงถือกำเนิดขึ้น ในกลศาสตร์ควอนตัม สนามศักย์ที่จำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและหาปริมาณของพวกมันเรียกว่าหลุมควอนตัม ข้อจำกัดทางควอนตัมนี้ใช้เพื่อสร้างระดับพลังงานควอนตัมในชั้นแอคทีฟของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างระดับพลังงานมีอิทธิพลต่อการแผ่รังสีที่น่าตื่นเต้นของเลเซอร์ ซึ่งเป็นเลเซอร์หลุมควอนตัม เลเซอร์ควอนตัมหลุมมีสองประเภท: เลเซอร์เส้นควอนตัมและเลเซอร์จุดควอนตัม

① เลเซอร์เส้นควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเลเซอร์ลวดควอนตัมที่ทรงพลังกว่าเลเซอร์แบบเดิมถึง 1,000 เท่า ถือเป็นก้าวสำคัญในการสร้างคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์สื่อสารที่รวดเร็วขึ้น เลเซอร์ซึ่งสามารถเพิ่มความเร็วของเสียง วิดีโอ อินเทอร์เน็ต และรูปแบบอื่นๆ ของการสื่อสารผ่านเครือข่ายใยแก้วนำแสง ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยเยล, Lucent Technologies Bell LABS ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ และสถาบันฟิสิกส์มักซ์พลังค์ในเดรสเดน เยอรมนี. เลเซอร์กำลังสูงเหล่านี้จะช่วยลดความจำเป็นในการใช้รีพีทเตอร์ราคาแพง ซึ่งติดตั้งทุกๆ 80 กม. (50 ไมล์) ตามแนวสายสื่อสาร และอีกครั้งจะสร้างพัลส์เลเซอร์ที่มีความเข้มข้นน้อยลงเมื่อเดินทางผ่านไฟเบอร์ (รีพีทเตอร์)