แนวคิดและการจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์

นาโนเลเซอร์เป็นอุปกรณ์ระดับไมโครและนาโนชนิดหนึ่งที่ทำจากวัสดุนาโน เช่น นาโนไวร์ เป็นตัวสะท้อน และสามารถปล่อยแสงเลเซอร์ภายใต้การกระตุ้นด้วยแสงหรือการกระตุ้นด้วยไฟฟ้า ขนาดของเลเซอร์นี้มักมีขนาดเพียงไม่กี่ร้อยไมครอนหรือหลายสิบไมครอน และมีเส้นผ่านศูนย์กลางสูงสุดในระดับนาโนเมตร ซึ่งถือเป็นส่วนสำคัญสำหรับจอแสดงผลแบบฟิล์มบางในอนาคต เทคโนโลยีออปติกแบบบูรณาการ และสาขาอื่นๆ

การจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์:

1. เลเซอร์นาโนไวร์

ในปี พ.ศ. 2544 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ สหรัฐอเมริกา ได้สร้างเลเซอร์ขนาดเล็กที่สุดในโลก นั่นคือ นาโนเลเซอร์ บนเส้นลวดนาโนออปติก ซึ่งมีความยาวเพียงหนึ่งในพันของเส้นผมมนุษย์ เลเซอร์นี้ไม่เพียงแต่ปล่อยแสงเลเซอร์อัลตราไวโอเลตเท่านั้น แต่ยังสามารถปรับแต่งให้ปล่อยแสงเลเซอร์ได้ตั้งแต่สีน้ำเงินไปจนถึงอัลตราไวโอเลตลึก นักวิจัยใช้เทคนิคมาตรฐานที่เรียกว่า oriented epiphytation เพื่อสร้างเลเซอร์จากผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ ขั้นแรกพวกเขา “เพาะเลี้ยง” เส้นลวดนาโน นั่นคือ เส้นลวดที่ก่อตัวบนชั้นทองคำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ถึง 150 นาโนเมตร และเส้นลวดซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ยาว 10,000 นาโนเมตร จากนั้น เมื่อนักวิจัยกระตุ้นผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ในเส้นลวดนาโนด้วยเลเซอร์อีกตัวหนึ่งใต้เรือนกระจก ผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์จะปล่อยแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเพียง 17 นาโนเมตร นาโนเลเซอร์ดังกล่าวสามารถนำมาใช้เพื่อระบุสารเคมีและปรับปรุงความจุในการจัดเก็บข้อมูลของดิสก์คอมพิวเตอร์และคอมพิวเตอร์โฟโตนิกส์ได้ในที่สุด

2. นาโนเลเซอร์อัลตราไวโอเลต

หลังจากการกำเนิดของเลเซอร์ไมโคร เลเซอร์ไมโครดิสก์ เลเซอร์ไมโครริง และเลเซอร์ควอนตัมอะวาแลนช์ นักเคมีหยาง เพ่ยตง และเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้ผลิตนาโนเลเซอร์ที่อุณหภูมิห้องขึ้น นาโนเลเซอร์ซิงก์ออกไซด์นี้สามารถปล่อยเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นน้อยกว่า 0.3 นาโนเมตร และความยาวคลื่น 385 นาโนเมตรภายใต้การกระตุ้นด้วยแสง ซึ่งถือเป็นเลเซอร์ขนาดเล็กที่สุดในโลกและเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงรุ่นแรกๆ ที่ผลิตขึ้นโดยใช้นาโนเทคโนโลยี ในระยะเริ่มแรกของการพัฒนา นักวิจัยคาดการณ์ว่านาโนเลเซอร์ ZnO นี้จะผลิตได้ง่าย มีความสว่างสูง ขนาดเล็ก และประสิทธิภาพเทียบเท่าหรือดีกว่าเลเซอร์สีน้ำเงิน GaN ด้วยความสามารถในการผลิตอาร์เรย์นาโนไวร์ความหนาแน่นสูง นาโนเลเซอร์ ZnO จึงสามารถนำไปใช้งานได้อย่างหลากหลาย ซึ่งอุปกรณ์ GaAs ในปัจจุบันไม่สามารถทำได้ เพื่อที่จะพัฒนาเลเซอร์ดังกล่าว นาโนไวร์ ZnO ถูกสังเคราะห์โดยวิธีการขนส่งก๊าซซึ่งช่วยเร่งการเจริญเติบโตของผลึกเอพิแทกเซียล ขั้นแรก แซฟไฟร์ซับสเตรตจะถูกเคลือบด้วยฟิล์มทองคำหนา 1-3.5 นาโนเมตร แล้วนำไปวางบนเรืออะลูมินา จากนั้นวัสดุและซับสเตรตจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 880-905 องศาเซลเซียส ในกระแสแอมโมเนีย เพื่อผลิตไอน้ำ Zn จากนั้นไอน้ำ Zn จะถูกส่งไปยังซับสเตรต นาโนไวร์ขนาด 2-10 ไมโครเมตร ที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปหกเหลี่ยม ถูกสร้างขึ้นในกระบวนการพัฒนาเป็นเวลา 2-10 นาที นักวิจัยพบว่านาโนไวร์ ZnO ก่อตัวเป็นโพรงเลเซอร์ตามธรรมชาติที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20-150 นาโนเมตร และเส้นผ่านศูนย์กลางส่วนใหญ่ (95%) มีขนาด 70-100 นาโนเมตร เพื่อศึกษาการปล่อยแสงกระตุ้นของเส้นลวดนาโน นักวิจัยได้สูบตัวอย่างด้วยแสงในเรือนกระจกด้วยเลเซอร์ Nd:YAG ที่มีเอาต์พุตฮาร์มอนิกที่สี่ (ความยาวคลื่น 266 นาโนเมตร ความกว้างพัลส์ 3 นาโนวินาที) ในระหว่างวิวัฒนาการของสเปกตรัมการปล่อยแสง แสงจะถูกปรับให้เข้ากับกำลังของปั๊มที่เพิ่มขึ้น เมื่อการปล่อยแสงเกินขีดจำกัดของเส้นลวดนาโน ZnO (ประมาณ 40 กิโลวัตต์/เซนติเมตร) จุดสูงสุดจะปรากฏในสเปกตรัมการปล่อยแสง ความกว้างของเส้นลวดสูงสุดเหล่านี้น้อยกว่า 0.3 นาโนเมตร ซึ่งน้อยกว่าความกว้างของเส้นลวดจากจุดปล่อยแสงที่อยู่ต่ำกว่าขีดจำกัดมากกว่า 1/50 ความกว้างของเส้นลวดที่แคบและความเข้มของการปล่อยแสงที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วทำให้นักวิจัยสรุปได้ว่าการปล่อยแสงกระตุ้นเกิดขึ้นในเส้นลวดนาโนเหล่านี้จริง ดังนั้น อาร์เรย์เส้นลวดนาโนนี้สามารถทำหน้าที่เป็นตัวสะท้อนตามธรรมชาติ และกลายเป็นแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดเล็กที่เหมาะสม นักวิจัยเชื่อว่านาโนเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นนี้สามารถนำไปใช้ในสาขาการประมวลผลเชิงแสง การจัดเก็บข้อมูล และการวิเคราะห์นาโนได้

3. เลเซอร์ควอนตัมเวลล์

ก่อนและหลังปี 2010 ความกว้างของเส้นที่สลักบนชิปเซมิคอนดักเตอร์จะถึง 100 นาโนเมตรหรือน้อยกว่า และจะมีอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวเคลื่อนที่ในวงจร การเพิ่มขึ้นและลดลงของอิเล็กตรอนจะส่งผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของวงจร เพื่อแก้ปัญหานี้ เลเซอร์ควอนตัมเวลล์จึงถือกำเนิดขึ้น ในกลศาสตร์ควอนตัม สนามศักย์ที่จำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและทำให้อิเล็กตรอนเป็นควอนตัมเรียกว่าควอนตัมเวลล์ ข้อจำกัดควอนตัมนี้ใช้ในการสร้างระดับพลังงานควอนตัมในชั้นแอคทีฟของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เพื่อให้การเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กทรอนิกส์ระหว่างระดับพลังงานควบคุมการแผ่รังสีที่ถูกกระตุ้นของเลเซอร์ ซึ่งเรียกว่าเลเซอร์ควอนตัมเวลล์ เลเซอร์ควอนตัมเวลล์มีสองประเภท ได้แก่ เลเซอร์เส้นควอนตัมและเลเซอร์ควอนตัมดอท

① เลเซอร์เส้นควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเลเซอร์ควอนตัมแบบลวดที่มีกำลังสูงกว่าเลเซอร์แบบดั้งเดิมถึง 1,000 เท่า นับเป็นก้าวสำคัญในการสร้างคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์สื่อสารที่เร็วขึ้น เลเซอร์ชนิดนี้สามารถเพิ่มความเร็วของเสียง วิดีโอ อินเทอร์เน็ต และการสื่อสารรูปแบบอื่นๆ ผ่านเครือข่ายใยแก้วนำแสง ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยล, Lucent Technologies Bell LABS ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ และสถาบันฟิสิกส์มักซ์พลังค์ในเมืองเดรสเดน ประเทศเยอรมนี เลเซอร์กำลังสูงเหล่านี้จะช่วยลดความจำเป็นในการใช้รีพีทเตอร์ราคาแพง ซึ่งติดตั้งทุก 80 กิโลเมตร (50 ไมล์) ตลอดแนวสายสื่อสาร ส่งผลให้เลเซอร์สร้างพัลส์เลเซอร์ที่มีความเข้มน้อยลงเมื่อเคลื่อนที่ผ่านใยแก้วนำแสง (รีพีทเตอร์)