Os lasers são amplamente utilizados em comunicações, imagens médicas e cirurgia, eletrônicos de consumo e outros campos, e mudaram profundamente a vida das pessoas. Nos últimos anos, para tornar o tamanho de lasers menores, os cientistas desenvolveram nanolasers, que não apenas promovem ainda mais a miniaturização e a integração de dispositivos fotônicos, mas também abrem novos caminhos para o estudo da interação entre luz e matéria em condições extremas. Este artigo começa com a geração de luz e leva você a explorar o mundo dos nanolasers em profundidade.
No campo da tecnologia da informação, transistores e lasers são dois componentes principais. A miniaturização dos transistores promoveu o rápido desenvolvimento de chips eletrônicos e gerou a conhecida lei de Moore - o número de transistores que podem ser acomodados em um circuito integrado dobrará a cada 18 meses. Essa tendência elevou o tamanho dos transistores mais avançados para o nível de nanômetro. Atualmente, mais de 10 bilhões de transistores podem ser integrados ao telefone celular e chips de computador usados pelo público, dando a esses dispositivos poderosos recursos de processamento de informações e promovendo a chegada da era digital e inteligente. Ao mesmo tempo, a miniaturização de lasers desencadeou uma revolução na tecnologia fotônica. Após mais de meio século de desenvolvimento, os lasers de semicondutores em miniatura têm sido amplamente utilizados em comunicações, armazenamento de dados, imagem médica e cirurgia, detecção e medição, eletrônicos de consumo, fabricação aditiva, exibição e iluminação e outros campos.
A escala de lasers é mais difícil que os transistores, porque eles dependem de partículas microscópicas muito diferentes, dependem de elétrons, enquanto os lasers dependem de fótons. Nas faixas visíveis e de infravermelho próximo, os comprimentos de onda de fótons são três ordens de magnitude maiores que os comprimentos de onda dos elétrons nos transistores. Sujeito ao limite de difração, o volume do modo mínimo no qual esses fótons podem ser espremidos é de cerca de nove ordens de magnitude, ou um bilhão de vezes, maior que o dos elétrons em um transistor. O desafio principal na construção de lasers em nanoescala é como romper o limite de difração e "comprimir" o volume de fótons ao limite. A superação desse problema não apenas promoverá significativamente o desenvolvimento da tecnologia fotônica, mas também dará origem a muitos novos cenários de aplicativos. Imagine que quando fótons, como elétrons, podem ser manipulados de maneira flexível na escala de nanômetros, podemos usar luz para observar diretamente a estrutura fina do DNA, e também podemos criar chips integrados optoeletrônicos em larga escala, e a velocidade e a eficiência do processamento de informações serão ser muito melhorado.
Nos últimos anos, por meio de plasmons de superfície e mecanismos de localização do campo de luz singulares, o volume do modo a laser excedeu o limite de difração óptica e entrou na nanoescala, dando origem a nanolasers.
1. Abra a porta brilhante para explorar o desconhecido
Na natureza, a luz é gerada de duas maneiras: radiação espontânea e radiação estimulada.
A radiação espontânea é um processo maravilhoso. Mesmo na escuridão completa e sem fótons externos, a matéria pode emitir luz por conta própria. Isso ocorre porque o vácuo não está realmente "vazio". É preenchido com pequenas flutuações de energia, chamadas energia de ponto zero a vácuo. A energia de ponto zero a vácuo pode fazer com que a matéria excitada libere fótons. Por exemplo, a iluminação de uma vela produz à luz de velas. A história do uso humano do fogo pode ser rastreada até mais de 1 milhão de anos atrás. O fogo trouxe luz e calor aos ancestrais humanos e abriu o capítulo da civilização. Chamas e lâmpadas incandescentes são fontes de radiação espontâneas. Eles queimam ou calor para colocar elétrons em um estado de alta energia e depois liberam fótons sob a ação da energia de ponto zero a vácuo para iluminar o mundo.
A radiação estimulada revela uma interação mais profunda entre luz e matéria. Quando um fóton externo passa por uma substância em um estado excitado, desencadeia a substância para liberar um novo fóton exatamente o mesmo que o fóton incidente. Esse fóton "copiado" torna o feixe de luz altamente direcional e consistente, que é o laser com o qual estamos familiarizados. Embora a invenção do laser seja há menos de um século, ela foi rapidamente integrada à vida pública, provocando mudanças de agitação da terra.
A invenção do laser abriu uma porta brilhante para a humanidade explorar o desconhecido. Ele nos fornece ferramentas poderosas e promove bastante o desenvolvimento da civilização moderna. No campo da informação e comunicação, os lasers tornaram as comunicações de fibra óptica de alta velocidade uma realidade e tornaram a interconexão global possível. Nos cuidados médicos, a cirurgia a laser é caracterizada por alta precisão e invasividade minimamente, fornecendo aos pacientes métodos de tratamento mais seguros e eficazes. Na fabricação industrial, o corte e a soldagem a laser melhoram a eficiência da produção e a precisão do produto, permitindo que as pessoas criem máquinas e equipamentos mais sofisticados. Na pesquisa científica, os lasers são ferramentas -chave para detecção de ondas gravitacionais e tecnologia quântica da informação, ajudando os cientistas a descobrir os mistérios do universo.
Desde impressão a laser e beleza médica na vida cotidiana até a fusão nuclear controlada, o radar a laser e as armas a laser na tecnologia de ponta, os lasers estão por toda parte e têm um impacto profundo no desenvolvimento do mundo. Ele não apenas mudou nosso modo de vida, mas também expandiu a capacidade dos seres humanos de entender e transformar a natureza.
2. Ferramentas poderosas para entender e aproveitar a natureza
Inspirado na lei de radiação do corpo negro de Planck, Einstein propôs o conceito de radiação estimulada em 1917, e essa descoberta lançou as bases para a invenção dos lasers. Em 1954, os cientistas americanos Townes e outros relataram primeiro um oscilador de microondas realizado por radiação estimulada, a saber, um maser de microondas. Eles usaram moléculas de amônia excitadas como mídia de ganho e usavam uma cavidade ressonante de microondas com cerca de 12 cm de comprimento para fornecer feedback, realizando masers de microondas com um comprimento de onda de cerca de 12,56 cm. O maser de microondas é considerado o antecessor do laser, mas o laser pode produzir radiação coerente em uma frequência mais alta, com vantagens como volume menor, maior intensidade e maior capacidade de transporte de informações.
Em 1960, o cientista americano Maiman inventou o primeiro laser. Ele usou uma haste de rubi cerca de 1 cm de longa duração, e as duas extremidades da haste foram banhadas prateadas para atuar como refletores para fornecer feedback óptico. Sob a excitação de uma lâmpada flash, o dispositivo produziu uma saída a laser com um comprimento de onda de 694,3 nanômetros. Vale a pena notar que o tamanho do maser de microondas está da mesma ordem de magnitude que seu comprimento de onda. De acordo com essa relação proporcional, o tamanho do laser deve ser de cerca de 700 nanômetros. No entanto, o tamanho do primeiro laser foi muito maior que isso, em mais de 4 ordens de magnitude. Demorou cerca de 30 anos para encolher o laser para um tamanho comparável ao comprimento de onda, e levou meio século para romper o limite do comprimento de onda e realizar lasers profundos de comprimento de onda.
Comparado com fontes de luz comuns, a energia de radiação de masers e lasers de microondas está concentrada em uma faixa de frequência muito estreita. Portanto, essas duas invenções podem ser consideradas como localização de ondas eletromagnéticas no espaço de frequência através da radiação estimulada. A radiação estimulada também pode ser usada para localizar ondas eletromagnéticas no tempo, momento e dimensões espaciais. Ao localizar ondas eletromagnéticas nessas dimensões, as fontes de luz a laser podem obter oscilações de frequência extremamente estáveis, pulsos ultra-curtos, alta direcionalidade e volumes de modo extremamente pequenos, o que nos permite medir com precisão o tempo, observar um movimento rápido, transmitir informações e energia a longas distâncias , alcance a miniaturização do dispositivo e obtenha uma resolução de imagem mais alta.
Desde o advento dos lasers, as pessoas buscam constantemente uma localização mais forte de campos de luz em dimensões como frequência, tempo, momento e espaço, promovendo o rápido desenvolvimento da pesquisa de física a laser e dispositivos a laser, tornando os lasers uma ferramenta poderosa para entender e utilizar a natureza .
Na dimensão de frequência, por meio de cavidade de alta qualidade, controle de feedback e isolamento ambiental, os lasers podem manter frequências extremamente estáveis, promovendo avanços em muitas pesquisas científicas importantes, como a condensação de Bose-Einstein (Prêmio Nobel de 2001 em física), espectroscopia de laser de precisão ( 2005 Prêmio Nobel em Física) e Detecção de Ondas Gravitacionais (Prêmio Nobel de 2017 em Física).
Na dimensão do tempo, a tecnologia de bloqueio de modo e a tecnologia de geração harmônica de alta ordem tornam a realidade o UltraShort Laser. Através da localização extrema do tempo, os lasers de atossegundos podem produzir pulsos de luz que duram apenas cerca de um ciclo óptico. Esse avanço possibilita observar processos ultra -rápidos, como o movimento de elétrons na camada interna de átomos, e ganhou o Prêmio Nobel de 2023 em física.
Na dimensão do momento, o desenvolvimento de lasers de modo único de grande área alcançou um alto grau de localização do campo leve em espaço de momento, tornando o feixe de laser altamente direcional. Espera-se que o laser altamente colimado resultante promova o desenvolvimento de comunicações ópticas interestelares interestelares de alta distância.
Na dimensão espacial, a introdução de plasmons de superfície e mecanismos de localização de campo de luz de singularidade permite que o volume do modo a laser rompe o limite de difração óptica e atinja uma escala menor que (λ/2n) 3 (onde λ é o comprimento de onda da luz do espaço livre e n é o índice de refração do material), dando à luz nanolasers. O surgimento de nanolasers tem um significado de longo alcance para inovar a tecnologia da informação e o estudo da interação entre luz e matéria em condições extremas.
3. Quebrar o limite de difração óptica
Mais de 30 anos após a invenção do laser, com o avanço da tecnologia de micro-máquinas e uma compreensão mais profunda dos dispositivos de pesquisa e laser a laser, vários tipos de lasers de micro-semicondutor foram desenvolvidos um após o outro, incluindo lasers de micro-disco , lasers de defeito de cristal fotônico e lasers de nanofios. Em 1992, a Bell Laboratories nos Estados Unidos percebeu com sucesso o primeiro laser de micro-disco, usando o modo de galeria de sussurros no micro-disco para permitir que a luz reflita repetidamente no micro-disco, gerar feedback ressonante e obter lases. Em 1999, o Instituto de Tecnologia da Califórnia nos Estados Unidos percebeu o primeiro laser de defeito de cristal fotônico, introduzindo defeitos pontuais em cristais fotônicos bidimensionais para restringir a luz. Em 2001, a Universidade da Califórnia, Berkeley, realizou com sucesso lasers de nanofios semicondutores pela primeira vez usando a face final de um nanofio como refletor. Esses lasers reduzem o tamanho do recurso na ordem de um único comprimento de onda de vácuo, mas devido às limitações do limite de difração óptica, esses lasers baseados em ressonadores dielétricos são difíceis de encolher ainda mais.
Na geometria, o comprimento do lado do ângulo direito de um triângulo direito é menor que o comprimento da hipotenusa. Em uma escala microscópica, para quebrar o limite de difração, o comprimento dos dois lados em ângulo direito precisa ser maior que a hipotenusa. Em 2009, três equipes do mundo perceberam nanolasers plasmônicos que romperam o limite de difração óptica. Entre eles, a equipe da Universidade da Califórnia, Berkeley e Peking University perceberam um nanolaser plasmônico baseado em uma estrutura unidimensional semicondutora de nanofios-isolador-metal; A equipe da Universidade de Tecnologia de Eindhoven, na Holanda e na Universidade Estadual do Arizona, nos Estados Unidos, desenvolveu um nanolaser plasmônico baseado em uma estrutura de placa plana de três camadas de metal-semicondutor; A equipe da Universidade Estadual de Norfolk e da Universidade de Purdue nos Estados Unidos demonstrou um nanolaser plasmônico de estrutura do núcleo-casca baseado em uma concha média de ganho embebida em núcleo de metal com base na ressonância de plasmon localizada.
Em outras palavras, ao introduzir unidades imaginárias na equação de dispersão, os cientistas realmente construíram um triângulo especial com um lado em ângulo direito por mais tempo que a hipotenusa. É este triângulo especial que nos permite obter fisicamente mais forte localização de campo de luz.
Após mais de 10 anos de desenvolvimento, os nanolasers de plasmon demonstraram excelentes características, como volume de modo extremamente pequeno, velocidade de modulação ultra -rápida e baixo consumo de energia. No entanto, em comparação com os materiais dielétricos, embora o efeito plasmon considere o campo de luz com a oscilação coletiva de elétrons livres em metais para obter uma localização mais forte de campo de luz, esse acoplamento também apresenta perdas ôhmicas inerentes, levando à geração de calor, que, por sua vez, aumenta o poder do dispositivo consumo e limita seu tempo de coerência.
Em 2024, a equipe da Universidade de Pequim propôs uma nova equação de dispersão de singularidade, revelando as características de dispersão da nanoantena totalmente dielétrica de tie de arco. Ao incorporar a nanoantena de gravata arco na estrutura de nanocavidade da esquina proposta pela equipe da Universidade de Pequim, um nanolaser dielétrico de singularidade que quebra o limite de difração óptica foi realizado em um sistema dielétrico pela primeira vez. Esse design estrutural permite que o campo de luz seja comprimido ao extremo e, teoricamente, pode atingir um volume de modo infinitamente pequeno, que é muito menor que o limite de difração óptica. Além disso, a estrutura sofisticada da nanocavidade de canto aumenta ainda mais a capacidade de armazenamento do campo de luz, dando ao nanolaser do singularidade um fator de qualidade ultra-alto e seu fator de qualidade da cavidade óptica (isto é, a proporção da energia armazenada na cavidade óptica para a energia perdida por ciclo) pode exceder 1 milhão.
A equipe da Peking University desenvolveu ainda mais a tecnologia de matriz fases de frequência óptica com base em nanolasers. Eles demonstraram com sucesso o poderoso potencial da tecnologia de lasagem coerente em conjunto, controlando com precisão o comprimento de onda e a fase de cada nanolaser na matriz a laser. Por exemplo, a equipe usou essa tecnologia para alcançar a lasagem coerente de matriz de frequência óptica em padrões como "P", "K", "U", "China" e "China", demonstrando suas amplas perspectivas de aplicação nos campos de fotônica integrada , Matrizes de fonte de luz micro-nano e comunicações ópticas. (Autor: Ma Renmin, Professor da Escola de Física, Universidade de Pequim)
