แนวคิดและการจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์

นาโนเลเซอร์เป็นอุปกรณ์ขนาดไมโครและนาโนชนิดหนึ่งที่ทำจากวัสดุนาโน เช่น นาโนไวร์ ทำหน้าที่เป็นตัวกำเนิดแสง และสามารถปล่อยแสงเลเซอร์ได้เมื่อได้รับแสงหรือกระแสไฟฟ้า ขนาดของเลเซอร์นี้มักมีขนาดเพียงไม่กี่ร้อยไมครอนหรือแม้แต่หลายสิบไมครอน และมีเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ในระดับนาโนเมตร ซึ่งเป็นส่วนสำคัญของจอแสดงผลฟิล์มบาง ระบบเลนส์รวม และสาขาอื่นๆ ในอนาคต

การจำแนกประเภทของนาโนเลเซอร์:

1. เลเซอร์นาโนไวร์

ในปี 2001 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ในสหรัฐอเมริกา ได้สร้างเลเซอร์ที่เล็กที่สุดในโลก หรือที่เรียกว่า นาโนเลเซอร์ บนเส้นลวดนาโนออปติกที่มีความยาวเพียงหนึ่งในพันของเส้นผมมนุษย์ เลเซอร์นี้ไม่เพียงแต่ปล่อยแสงอัลตราไวโอเลตเท่านั้น แต่ยังสามารถปรับให้ปล่อยแสงเลเซอร์ได้ตั้งแต่สีน้ำเงินไปจนถึงอัลตราไวโอเลตเข้ม นักวิจัยใช้วิธีการมาตรฐานที่เรียกว่า การเพาะเลี้ยงแบบวางแนว (oriented epiphytation) เพื่อสร้างเลเซอร์จากผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ พวกเขา "เพาะเลี้ยง" เส้นลวดนาโนก่อน นั่นคือ เส้นลวดซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ที่ก่อตัวบนชั้นทองคำ มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 ถึง 150 นาโนเมตร และความยาว 10,000 นาโนเมตร จากนั้น เมื่อนักวิจัยกระตุ้นผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ในเส้นลวดนาโนด้วยเลเซอร์อีกตัวหนึ่งภายใต้เรือนกระจก ผลึกซิงค์ออกไซด์บริสุทธิ์ก็ปล่อยแสงเลเซอร์ที่มีความยาวคลื่นเพียง 17 นาโนเมตร นาโนเลเซอร์ดังกล่าวอาจถูกนำไปใช้ในการระบุสารเคมีและปรับปรุงความจุในการจัดเก็บข้อมูลของดิสก์คอมพิวเตอร์และคอมพิวเตอร์โฟโตนิกส์ได้ในอนาคต

2. นาโนเลเซอร์อัลตราไวโอเลต

หลังจากมีการคิดค้นไมโครเลเซอร์ ไมโครดิสก์เลเซอร์ ไมโครริงเลเซอร์ และควอนตัมอะวาแลนซ์เลเซอร์ นักเคมีหยาง เป่ยตง และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์ ได้สร้างนาโนเลเซอร์ที่อุณหภูมิห้องขึ้นมา นาโนเลเซอร์ซิงค์ออกไซด์นี้สามารถปล่อยแสงเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมต่ำกว่า 0.3 นาโนเมตร และความยาวคลื่น 385 นาโนเมตร ภายใต้การกระตุ้นด้วยแสง ซึ่งถือเป็นเลเซอร์ที่เล็กที่สุดในโลกและเป็นหนึ่งในอุปกรณ์ใช้งานได้จริงชิ้นแรกๆ ที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีนาโน ในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนา นักวิจัยคาดการณ์ว่านาโนเลเซอร์ ZnO นี้ผลิตได้ง่าย มีความสว่างสูง ขนาดเล็ก และประสิทธิภาพเทียบเท่าหรือดีกว่าเลเซอร์สีน้ำเงิน GaN เนื่องจากความสามารถในการสร้างอาร์เรย์ของนาโนไวร์ที่มีความหนาแน่นสูง นาโนเลเซอร์ ZnO จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลายด้านที่ไม่สามารถทำได้ด้วยอุปกรณ์ GaAs ในปัจจุบัน เพื่อให้ได้เลเซอร์ดังกล่าว นาโนไวร์ ZnO จึงถูกสังเคราะห์โดยวิธีการขนส่งก๊าซซึ่งเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาการเติบโตของผลึกแบบเอพิเท็กเซียล ขั้นแรก พื้นผิวแซฟไฟร์จะถูกเคลือบด้วยฟิล์มทองคำหนา 1 นาโนเมตรถึง 3.5 นาโนเมตร จากนั้นวางลงบนเรืออลูมินา วัสดุและพื้นผิวจะถูกให้ความร้อนถึง 880°C ถึง 905°C ในกระแสแอมโมเนียเพื่อสร้างไอน้ำสังกะสี จากนั้นไอน้ำสังกะสีจะถูกส่งไปยังพื้นผิว ในกระบวนการเจริญเติบโตที่ใช้เวลา 2 นาทีถึง 10 นาที จะได้นาโนไวร์ขนาด 2 ไมโครเมตรถึง 10 ไมโครเมตร ที่มีพื้นที่หน้าตัดเป็นรูปหกเหลี่ยม นักวิจัยพบว่านาโนไวร์ ZnO ก่อตัวเป็นโพรงเลเซอร์ธรรมชาติที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 นาโนเมตรถึง 150 นาโนเมตร และส่วนใหญ่ (95%) มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 70 นาโนเมตรถึง 100 นาโนเมตร เพื่อศึกษาการปล่อยแสงแบบกระตุ้นของนาโนไวร์ นักวิจัยได้กระตุ้นตัวอย่างด้วยแสงในเรือนกระจกโดยใช้เอาต์พุตฮาร์มอนิกที่สี่ของเลเซอร์ Nd:YAG (ความยาวคลื่น 266 นาโนเมตร ความกว้างพัลส์ 3 นาโนวินาที) ในระหว่างการเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัมการปล่อยแสง แสงจะอ่อนลงเมื่อกำลังการกระตุ้นเพิ่มขึ้น เมื่อความเข้มของการปล่อยแสงเลเซอร์เกินค่าเกณฑ์ของนาโนไวร์ ZnO (ประมาณ 40 กิโลวัตต์/เซนติเมตร) จุดสูงสุดจะปรากฏขึ้นในสเปกตรัมการปล่อยแสง ความกว้างของเส้นสเปกตรัมของจุดสูงสุดเหล่านี้มีค่าน้อยกว่า 0.3 นาโนเมตร ซึ่งน้อยกว่าความกว้างของเส้นสเปกตรัมจากจุดปล่อยแสงที่ต่ำกว่าเกณฑ์มากกว่า 1/50 ความกว้างของเส้นสเปกตรัมที่แคบและการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของความเข้มของการปล่อยแสงทำให้ผู้วิจัยสรุปได้ว่า การปล่อยแสงแบบกระตุ้นเกิดขึ้นจริงในนาโนไวร์เหล่านี้ ดังนั้น อาร์เรย์ของนาโนไวร์นี้จึงสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเรโซเนเตอร์ตามธรรมชาติและกลายเป็นแหล่งกำเนิดเลเซอร์ขนาดเล็กที่เหมาะสม นักวิจัยเชื่อว่านาโนเลเซอร์ความยาวคลื่นสั้นนี้สามารถนำไปใช้ในด้านการคำนวณเชิงแสง การจัดเก็บข้อมูล และเครื่องวิเคราะห์ระดับนาโนได้

3. เลเซอร์ควอนตัมเวลล์

ก่อนและหลังปี 2010 ความกว้างของเส้นที่สลักลงบนชิปเซมิคอนดักเตอร์จะอยู่ที่ 100 นาโนเมตรหรือน้อยกว่านั้น และจะมีอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในวงจรเพียงไม่กี่ตัวเท่านั้น การเพิ่มขึ้นและลดลงของอิเล็กตรอนจะมีผลกระทบอย่างมากต่อการทำงานของวงจร เพื่อแก้ปัญหานี้ จึงได้มีการคิดค้นเลเซอร์ควอนตัมเวลล์ขึ้นมา ในกลศาสตร์ควอนตัม สนามศักย์ที่จำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและทำให้พวกมันเป็นควอนตัมเรียกว่าควอนตัมเวลล์ ข้อจำกัดควอนตัมนี้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างระดับพลังงานควอนตัมในชั้นแอคทีฟของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ เพื่อให้การเปลี่ยนผ่านทางอิเล็กตรอนระหว่างระดับพลังงานเป็นตัวกำหนดการแผ่รังสีของเลเซอร์ ซึ่งก็คือเลเซอร์ควอนตัมเวลล์นั่นเอง เลเซอร์ควอนตัมเวลล์มีสองประเภท ได้แก่ เลเซอร์ควอนตัมไลน์และเลเซอร์ควอนตัมดอต

① เลเซอร์เส้นควอนตัม

นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาเลเซอร์ควอนตัมแบบใช้ลวดที่มีกำลังมากกว่าเลเซอร์แบบดั้งเดิมถึง 1,000 เท่า ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญในการสร้างคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์สื่อสารที่เร็วขึ้น เลเซอร์นี้สามารถเพิ่มความเร็วของเสียง วิดีโอ อินเทอร์เน็ต และการสื่อสารรูปแบบอื่นๆ ผ่านเครือข่ายใยแก้วนำแสง โดยได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเยล, Lucent Technologies Bell LABS ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ และสถาบันฟิสิกส์แม็กซ์พลังค์ในเมืองเดรสเดน ประเทศเยอรมนี เลเซอร์กำลังสูงเหล่านี้จะช่วยลดความจำเป็นในการใช้ตัวทวนสัญญาณราคาแพง ซึ่งติดตั้งทุกๆ 80 กิโลเมตร (50 ไมล์) ตามแนวสายสื่อสาร โดยตัวทวนสัญญาณจะสร้างพัลส์เลเซอร์ที่มีความเข้มลดลงเมื่อเดินทางผ่านใยแก้วนำแสง