Laser digunakan secara meluas dalam komunikasi, pengimejan perubatan dan pembedahan, elektronik pengguna dan bidang lain, dan telah mengubah kehidupan orang ramai. Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, untuk menjadikan saiz laser lebih kecil, saintis telah membangunkan nanolaser, yang bukan sahaja mempromosikan pengurangan dan integrasi peranti fotonik, tetapi juga membuka laluan baru untuk mengkaji interaksi antara cahaya dan perkara di bawah keadaan yang melampau. Artikel ini bermula dengan penjanaan cahaya dan membawa anda untuk meneroka dunia nanolaser secara mendalam.
Dalam bidang teknologi maklumat, transistor dan laser adalah dua komponen teras. Pengecualian transistor telah mempromosikan perkembangan pesat cip elektronik dan menanam undang -undang Moore yang terkenal - bilangan transistor yang boleh ditampung di litar bersepadu akan berganda setiap 18 bulan atau lebih. Trend ini telah mendorong saiz transistor yang paling maju ke tahap nanometer. Pada masa ini, lebih daripada 10 bilion transistor boleh diintegrasikan ke dalam telefon bimbit dan cip komputer yang digunakan oleh orang ramai, memberikan keupayaan pemprosesan maklumat yang kuat dan mempromosikan kedatangan era digital dan pintar. Pada masa yang sama, pengurangan laser telah mencetuskan revolusi dalam teknologi fotonik. Selepas lebih daripada setengah abad pembangunan, laser semikonduktor kecil telah digunakan secara meluas dalam komunikasi, penyimpanan data, pengimejan perubatan dan pembedahan, penderiaan dan pengukuran, elektronik pengguna, pembuatan tambahan, paparan dan pencahayaan dan bidang lain.
Penskalaan laser lebih sukar daripada transistor kerana mereka bergantung pada pemindahan zarah mikroskopik yang sangat berbeza bergantung kepada elektron, manakala laser bergantung pada foton. Dalam jalur yang kelihatan dan berhampiran inframerah, panjang gelombang foton adalah tiga pesanan magnitud yang lebih tinggi daripada panjang gelombang elektron dalam transistor. Tertakluk kepada had difraksi, jumlah mod minimum yang mana foton ini boleh diperas adalah kira -kira sembilan pesanan magnitud, atau satu bilion kali, lebih besar daripada elektron dalam transistor. Cabaran utama dalam membina laser nanoscale adalah bagaimana untuk memecahkan had difraksi dan "memampatkan" jumlah foton ke had. Mengatasi masalah ini bukan sahaja akan mempromosikan perkembangan teknologi fotonik, tetapi juga akan menimbulkan banyak senario aplikasi baru. Bayangkan bahawa apabila foton, seperti elektron, boleh dimanipulasi secara fleksibel pada skala nanometer, kita boleh menggunakan cahaya untuk secara langsung memerhatikan struktur halus DNA, dan kita juga boleh membuat cip bersepadu optoelektronik berskala besar, dan kelajuan pemprosesan maklumat dan kecekapan akan sangat bertambah baik.
Dalam tahun -tahun kebelakangan ini, melalui plasmon permukaan dan mekanisme penyetempatan medan cahaya titik tunggal, jumlah mod laser telah melebihi had difraksi optik dan memasuki nanoscale, sehingga menimbulkan nanolaser.
1. Buka pintu terang untuk meneroka yang tidak diketahui
Secara semula jadi, cahaya dijana dalam dua cara: radiasi spontan dan sinaran yang dirangsang.
Sinaran spontan adalah proses yang indah. Malah dalam kegelapan yang lengkap dan tanpa sebarang foton luaran, perkara boleh memancarkan cahaya sendiri. Ini kerana vakum tidak benar -benar "kosong". Ia dipenuhi dengan turun naik tenaga kecil, yang dipanggil tenaga sifar vakum. Tenaga sifar vakum boleh menyebabkan perkara teruja untuk melepaskan foton. Sebagai contoh, pencahayaan lilin menghasilkan cahaya lilin. Sejarah penggunaan api manusia dapat dikesan kembali ke lebih dari 1 juta tahun yang lalu. Kebakaran membawa cahaya dan kehangatan kepada nenek moyang manusia dan membuka bab tamadun. Lampu api dan pijar adalah sumber radiasi spontan. Mereka membakar atau memanaskan untuk meletakkan elektron ke dalam keadaan tenaga tinggi, dan kemudian melepaskan foton di bawah tindakan tenaga sifar vakum untuk menerangi dunia.
Sinaran yang dirangsang mendedahkan interaksi yang lebih mendalam antara cahaya dan perkara. Apabila foton luaran melalui bahan dalam keadaan teruja, ia mencetuskan bahan untuk melepaskan foton baru yang sama persis dengan foton insiden. Foton "disalin" ini menjadikan rasuk cahaya sangat berarah dan konsisten, yang merupakan laser yang kita kenal. Walaupun ciptaan laser kurang dari satu abad yang lalu, ia telah cepat disepadukan ke dalam kehidupan awam, membawa perubahan bumi yang mengguncang.
Penciptaan laser telah membuka pintu yang cerah untuk manusia untuk meneroka yang tidak diketahui. Ia memberikan kita alat yang berkuasa dan sangat menggalakkan perkembangan tamadun moden. Dalam bidang maklumat dan komunikasi, laser telah membuat komunikasi gentian optik berkelajuan tinggi sebagai realiti dan membuat interkoneksi global mungkin. Dalam penjagaan perubatan, pembedahan laser dicirikan oleh ketepatan yang tinggi dan minimal invasiveness, menyediakan pesakit dengan kaedah rawatan yang lebih selamat dan lebih berkesan. Dalam pembuatan industri, pemotongan laser dan kimpalan meningkatkan kecekapan pengeluaran dan ketepatan produk, yang membolehkan orang ramai membuat jentera dan peralatan yang lebih canggih. Dalam penyelidikan saintifik, laser adalah alat utama untuk pengesanan gelombang graviti dan teknologi maklumat kuantum, membantu saintis mendedahkan misteri alam semesta.
Dari percetakan laser dan kecantikan perubatan dalam kehidupan seharian hingga gabungan nuklear yang dikawal, radar laser dan senjata laser dalam teknologi canggih, laser ada di mana-mana dan mempunyai kesan mendalam terhadap pembangunan dunia. Ia bukan sahaja mengubah cara hidup kita, tetapi juga memperluaskan keupayaan manusia untuk memahami dan mengubah alam semula jadi.
2. Alat yang kuat untuk memahami dan memanfaatkan sifat
Diilhamkan oleh undang -undang radiasi hitam Planck, Einstein mencadangkan konsep radiasi yang dirangsang pada tahun 1917, dan penemuan ini meletakkan asas bagi penciptaan laser. Pada tahun 1954, para saintis Amerika Townes dan lain -lain mula melaporkan pengayun gelombang mikro yang direalisasikan oleh radiasi yang dirangsang, iaitu maser gelombang mikro. Mereka menggunakan molekul ammonia yang teruja sebagai media keuntungan dan menggunakan rongga resonan gelombang mikro panjang kira -kira 12 cm untuk memberikan maklum balas, merealisasikan maser gelombang mikro dengan panjang gelombang kira -kira 12.56 cm. Maser gelombang mikro dianggap sebagai pendahulu laser, tetapi laser boleh menghasilkan radiasi yang koheren pada frekuensi yang lebih tinggi, dengan kelebihan seperti jumlah yang lebih kecil, intensiti yang lebih tinggi, dan kapasiti yang membawa maklumat yang lebih tinggi.
Pada tahun 1960, saintis Amerika Maiman mencipta laser pertama. Dia menggunakan rod ruby kira-kira 1 cm panjang sebagai medium keuntungan, dan kedua-dua hujung rod itu berlapis perak untuk bertindak sebagai reflektor untuk memberikan maklum balas optik. Di bawah pengujaan lampu kilat, peranti menghasilkan output laser dengan panjang gelombang 694.3 nanometer. Perlu diingat bahawa saiz maser gelombang mikro berada pada susunan magnitud yang sama seperti panjang gelombangnya. Menurut hubungan berkadar ini, saiz laser harus kira -kira 700 nanometer. Walau bagaimanapun, saiz laser pertama jauh lebih besar daripada ini, dengan lebih daripada 4 pesanan magnitud. Ia mengambil masa kira -kira 30 tahun untuk mengecilkan laser ke saiz yang setanding dengan panjang gelombang, dan mengambil masa setengah abad untuk memecahkan had panjang gelombang dan merealisasikan laser subwavelength yang mendalam.
Berbanding dengan sumber cahaya biasa, tenaga radiasi maser gelombang mikro dan laser tertumpu dalam julat frekuensi yang sangat sempit. Oleh itu, kedua -dua ciptaan ini boleh dianggap sebagai gelombang elektromagnet dalam ruang frekuensi melalui radiasi yang dirangsang. Sinaran yang dirangsang juga boleh digunakan untuk melokalkan gelombang elektromagnet dalam masa, momentum dan dimensi ruang. Dengan melokalkan gelombang elektromagnet dalam dimensi ini, sumber cahaya laser dapat mencapai ayunan frekuensi yang sangat stabil, denyutan ultra-pendek, arah yang tinggi dan volum mod yang sangat kecil, yang membolehkan kita mengukur masa dengan tepat, memerhatikan gerakan cepat, menghantar maklumat dan tenaga dalam jarak jauh , mencapai miniaturisasi peranti, dan dapatkan resolusi pengimejan yang lebih tinggi.
Sejak kedatangan laser, orang ramai terus mengejar penyetempatan medan cahaya yang lebih kuat dalam dimensi seperti kekerapan, masa, momentum dan ruang, mempromosikan perkembangan pesat penyelidikan fizik laser dan peranti laser, menjadikan laser alat yang kuat untuk memahami dan menggunakan alam .
Dalam dimensi kekerapan, melalui rongga berkualiti tinggi, kawalan maklum balas dan pengasingan alam sekitar, laser dapat mengekalkan frekuensi yang sangat stabil, mempromosikan kejayaan dalam banyak penyelidikan saintifik utama, seperti pemeluwapan Bose-Einstein (2001 Hadiah Nobel dalam Fizik), spektroskopi laser ketepatan ( 2005 Hadiah Nobel dalam Fizik) dan Pengesanan Gelombang Graviti (2017 Hadiah Nobel dalam Fizik).
Dalam dimensi masa, teknologi mengunci mod dan teknologi generasi harmonik yang tinggi membuat ultrashort laser denyutan realiti. Melalui penyetempatan masa yang melampau, laser Attosecond dapat menghasilkan denyutan cahaya yang berlangsung hanya kira -kira satu kitaran optik. Kejayaan ini memungkinkan untuk memerhatikan proses ultrafast seperti pergerakan elektron dalam lapisan dalaman atom, dan memenangi Hadiah Nobel 2023 dalam Fizik.
Dalam dimensi momentum, perkembangan laser mod tunggal besar telah mencapai tahap penyetempatan medan cahaya yang tinggi dalam ruang momentum, menjadikan rasuk laser sangat berarah. Laser yang sangat tinggi yang dihasilkan dijangka mempromosikan pembangunan komunikasi optik berkelajuan tinggi interstellar ultra-jarak jauh.
Dalam dimensi spatial, pengenalan plasmon permukaan dan mekanisme penyetempatan medan cahaya Singularity membolehkan jumlah mod laser untuk memecahkan had difraksi optik dan mencapai skala kurang daripada (λ/2n) 3 (di mana λ adalah panjang gelombang cahaya ruang bebas dan n ialah indeks biasan bahan), sehingga melahirkan nanolaser. Kemunculan nanolaser mempunyai kepentingan yang meluas untuk berinovasi teknologi maklumat dan mengkaji interaksi antara cahaya dan perkara di bawah keadaan yang melampau.
3. Memecahkan had difraksi optik
Lebih dari 30 tahun selepas ciptaan laser, dengan kemajuan teknologi mikro-pemesawat dan pemahaman yang lebih mendalam tentang penyelidikan fizik laser dan peranti laser, pelbagai jenis laser mikro-semikonduktor telah dibangunkan satu demi satu, termasuk laser mikro cakera , Laser kecacatan kristal fotonik dan laser nanowire. Pada tahun 1992, Laboratorium Bell di Amerika Syarikat berjaya menyedari laser cakera mikro pertama, menggunakan mod Galeri Whispering dalam cakera mikro untuk membolehkan cahaya berulang kali mencerminkan dalam cakera mikro, menghasilkan maklum balas resonan dan mencapai lasing. Pada tahun 1999, Institut Teknologi California di Amerika Syarikat menyedari laser kecacatan kristal fotonik pertama dengan memperkenalkan kecacatan titik dalam kristal fotonik dua dimensi untuk menghalang cahaya. Pada tahun 2001, University of California, Berkeley, berjaya menyedari laser nanowire semikonduktor untuk kali pertama menggunakan muka akhir nanowire sebagai reflektor. Laser ini mengurangkan saiz ciri kepada susunan panjang gelombang vakum tunggal, tetapi disebabkan oleh batasan had difraksi optik, laser ini berdasarkan resonator dielektrik sukar untuk mengecut lagi.
Dalam geometri, panjang sisi kanan dari segi tiga kanan adalah kurang daripada panjang hipotenus. Pada skala mikroskopik, untuk memecahkan had difraksi, panjang kedua-dua sisi bersudut kanan perlu lebih besar daripada hipotenus. Pada tahun 2009, tiga pasukan di dunia pertama menyedari nanolaser plasmonik yang memecahkan had difraksi optik. Antaranya, pasukan University of California, Berkeley dan Peking University menyedari nanolaser plasmonik berdasarkan struktur nanowire-insulator semikonduktor satu dimensi; Pasukan Eindhoven University of Technology di Belanda dan Arizona State University di Amerika Syarikat membangunkan nanolaser plasmonik berdasarkan struktur plat tiga lapisan logam-logam-logam; Pasukan Norfolk State University dan Purdue University di Amerika Syarikat menunjukkan struktur nanolaser plasmonik struktur teras berdasarkan shell medium yang teras teras logam berdasarkan resonans plasmon permukaan setempat.
Dalam erti kata lain, dengan memperkenalkan unit khayalan dalam persamaan penyebaran, para saintis sebenarnya membina segitiga khas dengan sisi kanan yang lebih baik daripada hipotenus. Ia adalah segitiga khas yang membolehkan kita mencapai lokalisasi medan cahaya yang lebih kuat secara fizikal.
Selepas lebih daripada 10 tahun pembangunan, nanolaser plasmon telah menunjukkan ciri -ciri yang sangat baik seperti jumlah mod yang sangat kecil, kelajuan modulasi ultrafast dan penggunaan tenaga yang rendah. Walau bagaimanapun, berbanding dengan bahan dielektrik, walaupun kesan plasmon pasangan medan cahaya dengan ayunan kolektif elektron bebas dalam logam untuk mencapai penyetempatan medan cahaya yang lebih kuat, gandingan ini juga memperkenalkan kerugian ohmik yang wujud, yang membawa kepada penjanaan haba, yang seterusnya meningkatkan kuasa peranti penggunaan dan menghadkan masa koherennya.
Pada tahun 2024, pasukan Universiti Peking mencadangkan persamaan penyebaran singulariti baru, mendedahkan ciri-ciri penyebaran nanoantenna bow-tie all-dielektrik. Dengan membenamkan nanoantenna bow-tie ke struktur nanocavity sudut yang dicadangkan oleh pasukan Universiti Peking, nanolaser dielektrik singulariti yang memecahkan had difraksi optik telah direalisasikan dalam sistem dielektrik untuk kali pertama. Reka bentuk struktur ini membolehkan medan cahaya dimampatkan kepada yang melampau, dan secara teorinya dapat mencapai jumlah mod yang tidak terhingga, yang jauh lebih kecil daripada had difraksi optik. Di samping itu, struktur nanocaviti sudut yang canggih meningkatkan lagi kapasiti penyimpanan medan cahaya, memberikan nanolaser singularity sebagai faktor kualiti ultra tinggi, dan faktor kualiti rongga optiknya (iaitu nisbah tenaga yang disimpan dalam rongga optik kepada tenaga yang hilang setiap kitaran) boleh melebihi 1 juta.
Pasukan Universiti Peking selanjutnya membangunkan teknologi array bertahap frekuensi optik berdasarkan nanolaser. Mereka berjaya menunjukkan potensi kuat teknologi lasing yang berukuran koheren dengan tepat mengawal panjang gelombang dan fasa setiap nanolaser dalam pelbagai laser. Sebagai contoh, pasukan menggunakan teknologi ini untuk mencapai pelbagai kekerapan optik yang koheren dalam corak seperti "P", "K", "U", "China" dan "China", menunjukkan prospek aplikasi yang luas dalam bidang fotonik bersepadu , Sumber sumber cahaya mikro-nano dan komunikasi optik. (Pengarang: Ma Renmin, Profesor Sekolah Fizik, Peking University)
