แนวคิดและการจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์

นาโนเลเซอร์เป็นอุปกรณ์ไมโครและนาโนชนิดหนึ่งที่ทำจากวัสดุนาโน เช่น นาโนไวร์ เป็นตัวสะท้อน และสามารถปล่อยเลเซอร์ภายใต้การกระตุ้นด้วยแสงหรือการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า ขนาดของเลเซอร์นี้มักมีเพียงหลายร้อยไมครอนหรืออาจถึงหลายสิบไมครอน และมีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุดถึงระดับนาโนเมตร ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของจอภาพแบบฟิล์มบางในอนาคต อุปกรณ์ออปติกแบบบูรณาการ และสาขาอื่นๆ

การจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์:

1. เลเซอร์นาโนไวร์

ในปี 2001 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ สหรัฐอเมริกา ได้สร้างเลเซอร์ขนาดเล็กที่สุดในโลก ซึ่งก็คือ นาโนเลเซอร์ บนเส้นลวดนาโนออปติกที่มีความยาวเพียงหนึ่งในพันของเส้นผมมนุษย์ เลเซอร์นี้ไม่เพียงแต่ปล่อยเลเซอร์อัลตราไวโอเลตเท่านั้น แต่ยังสามารถปรับแต่งให้ปล่อยเลเซอร์ได้ตั้งแต่สีน้ำเงินไปจนถึงอัลตราไวโอเลตลึก นักวิจัยใช้เทคนิคมาตรฐานที่เรียกว่าการอิงอาศัยแบบวางแนวเพื่อสร้างเลเซอร์จากผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ ขั้นแรก พวกเขา "เพาะเลี้ยง" เส้นลวดนาโน นั่นคือ เส้นลวดที่ก่อตัวบนชั้นทองคำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 นาโนเมตรถึง 150 นาโนเมตร และเส้นลวดซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ยาว 10,000 นาโนเมตร จากนั้น เมื่อนักวิจัยกระตุ้นผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ในเส้นลวดนาโนด้วยเลเซอร์อีกอันภายใต้เรือนกระจก ผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์จะปล่อยเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเพียง 17 นาโนเมตร ในที่สุด นาโนเลเซอร์ดังกล่าวอาจใช้ในการระบุสารเคมีและปรับปรุงความจุในการจัดเก็บข้อมูลของดิสก์คอมพิวเตอร์และคอมพิวเตอร์โฟโตนิกส์

2. นาโนเลเซอร์อัลตราไวโอเลต

หลังจากการถือกำเนิดของไมโครเลเซอร์ เลเซอร์ไมโครดิสก์ เลเซอร์ไมโครริง และเลเซอร์ควอนตัมอะวาแลนช์ นักเคมี Yang Peidong และเพื่อนร่วมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้ผลิตนาโนเลเซอร์ที่อุณหภูมิห้อง นาโนเลเซอร์สังกะสีออกไซด์นี้สามารถปล่อยเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นน้อยกว่า 0.3 นาโนเมตรและความยาวคลื่น 385 นาโนเมตรภายใต้การกระตุ้นแสง ซึ่งถือเป็นเลเซอร์ที่เล็กที่สุดในโลกและเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงตัวแรกๆ ที่ผลิตโดยใช้นาโนเทคโนโลยี ในระยะเริ่มต้นของการพัฒนา นักวิจัยคาดการณ์ว่านาโนเลเซอร์ ZnO นี้สามารถผลิตได้ง่าย มีความสว่างสูง มีขนาดเล็ก และประสิทธิภาพเท่ากับหรือดีกว่าเลเซอร์สีน้ำเงิน GaN ด้วยความสามารถในการผลิตอาร์เรย์นาโนไวร์ที่มีความหนาแน่นสูง นาโนเลเซอร์ ZnO จึงสามารถนำไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ มากมายที่ไม่สามารถทำได้ด้วยอุปกรณ์ GaAs ในปัจจุบัน เพื่อที่จะเติบโตเลเซอร์ดังกล่าว นาโนไวร์ ZnO ถูกสังเคราะห์โดยวิธีการขนส่งก๊าซซึ่งเร่งการเจริญเติบโตของผลึกเอพิแทกเซียล ขั้นแรก พื้นผิวแซฟไฟร์จะถูกเคลือบด้วยฟิล์มทองคำหนา 1 นาโนเมตรถึง 3.5 นาโนเมตร จากนั้นจึงวางบนเรืออะลูมินา วัสดุและพื้นผิวจะถูกให้ความร้อนถึง 880 ° C ถึง 905 ° C ในการไหลของแอมโมเนียเพื่อผลิตไอน้ำ Zn จากนั้นไอน้ำ Zn จะถูกขนส่งไปยังพื้นผิว นาโนไวร์ขนาด 2μm ถึง 10μm ที่มีพื้นที่หน้าตัดหกเหลี่ยมถูกสร้างขึ้นในกระบวนการเติบโตเป็นเวลา 2 นาทีถึง 10 นาที นักวิจัยพบว่านาโนไวร์ ZnO สร้างโพรงเลเซอร์ธรรมชาติที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 นาโนเมตรถึง 150 นาโนเมตร และส่วนใหญ่ (95%) ของเส้นผ่านศูนย์กลางคือ 70 นาโนเมตรถึง 100 นาโนเมตร เพื่อศึกษาการปล่อยแสงกระตุ้นของเส้นลวดนาโน นักวิจัยได้สูบตัวอย่างด้วยแสงในเรือนกระจกด้วยเอาต์พุตฮาร์มอนิกที่สี่ของเลเซอร์ Nd:YAG (ความยาวคลื่น 266 นาโนเมตร ความกว้างพัลส์ 3 นาโนวินาที) ระหว่างวิวัฒนาการของสเปกตรัมการปล่อยแสง แสงจะถูกปรับลดลงตามกำลังของปั๊มที่เพิ่มขึ้น เมื่อการปล่อยแสงเกินเกณฑ์ของเส้นลวดนาโน ZnO (ประมาณ 40 กิโลวัตต์/ซม.) จุดสูงสุดจะปรากฏในสเปกตรัมการปล่อยแสง ความกว้างของเส้นลวดที่สูงที่สุดเหล่านี้น้อยกว่า 0.3 นาโนเมตร ซึ่งน้อยกว่าความกว้างของเส้นลวดจากจุดปล่อยแสงที่อยู่ต่ำกว่าเกณฑ์มากกว่า 1/50 เส้นความกว้างที่แคบและความเข้มของการปล่อยแสงที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทำให้ผู้วิจัยสรุปได้ว่าการปล่อยแสงกระตุ้นเกิดขึ้นในเส้นลวดนาโนเหล่านี้จริง ดังนั้น อาร์เรย์เส้นลวดนาโนนี้สามารถทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนตามธรรมชาติและกลายเป็นแหล่งกำเนิดไมโครเลเซอร์ในอุดมคติ นักวิจัยเชื่อว่านาโนเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นนี้สามารถใช้ในด้านการคำนวณแบบออปติคัล การจัดเก็บข้อมูล และการวิเคราะห์นาโน

3. เลเซอร์ควอนตัมเวลล์

ก่อนและหลังปี 2010 ความกว้างของเส้นที่แกะสลักบนชิปเซมิคอนดักเตอร์จะถึง 100 นาโนเมตรหรือต่ำกว่า และจะมีอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวเคลื่อนที่ในวงจร และการเพิ่มขึ้นและลดลงของอิเล็กตรอนจะมีผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของวงจร เพื่อแก้ปัญหานี้ เลเซอร์ควอนตัมเวลล์จึงถือกำเนิดขึ้น ในกลศาสตร์ควอนตัม สนามศักย์ที่จำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและทำให้อิเล็กตรอนควอนตัมเรียกว่าควอนตัมเวลล์ ข้อจำกัดควอนตัมนี้ใช้เพื่อสร้างระดับพลังงานควอนตัมในชั้นแอ็คทีฟของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เพื่อให้การเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างระดับพลังงานควบคุมการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นของเลเซอร์ ซึ่งก็คือเลเซอร์ควอนตัมเวลล์ เลเซอร์ควอนตัมเวลล์มีอยู่ 2 ประเภท ได้แก่ เลเซอร์เส้นควอนตัมและเลเซอร์จุดควอนตัม

① เลเซอร์เส้นควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเลเซอร์ควอนตัมแบบลวดที่มีพลังมากกว่าเลเซอร์แบบเดิมถึง 1,000 เท่า ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญในการสร้างคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์สื่อสารที่เร็วขึ้น เลเซอร์ที่สามารถเพิ่มความเร็วของเสียง วิดีโอ อินเทอร์เน็ต และรูปแบบการสื่อสารอื่นๆ บนเครือข่ายใยแก้วนำแสง ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยล Lucent Technologies Bell LABS ในรัฐนิวเจอร์ซี และสถาบัน Max Planck Institute for Physics ในเมืองเดรสเดน ประเทศเยอรมนี เลเซอร์ที่มีกำลังสูงกว่านี้จะช่วยลดความจำเป็นในการใช้เครื่องขยายสัญญาณราคาแพง ซึ่งติดตั้งทุกๆ 80 กิโลเมตร (50 ไมล์) ตลอดแนวสายสื่อสาร โดยจะผลิตพัลส์เลเซอร์ที่มีความเข้มข้นน้อยลงเมื่อเดินทางผ่านใยแก้วนำแสง (เครื่องขยายสัญญาณ)