Laser werden in Kommunikation, medizinischer Bildgebung und Operation, Unterhaltungselektronik und anderen Bereichen häufig eingesetzt und haben das Leben der Menschen zutiefst verändert. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Nanolaser entwickelt, die nicht nur die Miniaturisierung und Integration von photonischen Geräten fördern, sondern auch neue Wege für die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie unter extremen Bedingungen eröffnen, um die Größe von Lasern kleiner zu machen. Dieser Artikel beginnt mit der Lichtgeneration und führt Sie, um die Welt der Nanolaser ausführlich zu erkunden.
Im Bereich der Informationstechnologie sind Transistoren und Laser zwei Kernkomponenten. Die Miniaturisierung von Transistoren hat die schnelle Entwicklung elektronischer Chips gefördert und das bekannte Mooresche Gesetz hervorgebracht - die Anzahl der Transistoren, die auf einem integrierten Stromkreis untergebracht werden können, verdoppelt sich alle 18 Monate oder so. Dieser Trend hat die Größe der fortschrittlichsten Transistoren auf den Nanometerstand gebracht. Gegenwärtig können mehr als 10 Milliarden Transistoren in die von der Öffentlichkeit verwendeten Mobiltelefon- und Computerchips integriert werden, wodurch diese Geräte leistungsstarke Informationsverarbeitungsfunktionen verleiht und die Ankunft der digitalen und intelligenten Ära fördern. Gleichzeitig hat die Miniaturisierung von Lasern eine Revolution in der photonischen Technologie ausgelöst. Nach mehr als einem halben Jahrhundert Entwicklung wurden Miniatur -Halbleiterlaser in Kommunikation, Datenspeicherung, medizinischer Bildgebung und Operation, Erfassungs- und Messung, Unterhaltungselektronik, additive Fertigung, Anzeige und Beleuchtung und andere Bereiche häufig eingesetzt.
Skalierungslaser sind schwieriger als Transistoren, da sie sich auf sehr unterschiedliche mikroskopische Partikeltransistoren auf Elektronen verlassen, während sich Laser auf Photonen verlassen. In den sichtbaren und nahe Infrarotbändern sind Photonenwellenlängen drei Größenordnungen höher als die Wellenlängen von Elektronen bei Transistoren. Vorbehaltlich der Beugungsgrenze beträgt das Mindestmodusvolumen, in das diese Photonen gepresst werden können, etwa neun Größenordnungen oder eine Milliarde Mal, die größer als die von Elektronen in einem Transistor ist. Die zentrale Herausforderung beim Aufbau von nanoskaligen Lasern besteht darin, die Beugungsgrenze durchzubrechen und das Volumen der Photonen bis zur Grenze zu "komprimieren". Die Überwindung dieses Problems wird nicht nur die Entwicklung der photonischen Technologie erheblich fördern, sondern auch viele neue Anwendungsszenarien hervorrufen. Stellen Sie sich vor, bei Photonen können wir wie Elektronen im Nanometermaßstab flexibel manipuliert werden, um die feine Struktur der DNA direkt zu beobachten, und wir können auch groß angelegte optoelektronische integrierte Chips erstellen, und die Geschwindigkeit und Effizienz der Informationsverarbeitungszeit sich stark verbessert haben.
In den letzten Jahren hat das Lasermodusvolumen durch Oberflächenplasmonen und Singular Point Light Field Lokalisierungsmechanismen die optische Beugungsgrenze überschritten und in die Nanoskala eingegeben, wodurch Nanolaser entstehen.
1. Öffnen Sie die helle Tür, um das Unbekannte zu erkunden
In der Natur wird Licht auf zwei Arten erzeugt: spontane Strahlung und stimulierte Strahlung.
Spontane Strahlung ist ein wunderbarer Prozess. Selbst in völliger Dunkelheit und ohne externe Photonen kann Materie Licht selbst ausgeben. Dies liegt daran, dass das Vakuum nicht wirklich "leer" ist. Es ist mit winzigen Energieschwankungen gefüllt, die als Vakuum-Null-Punkt-Energie bezeichnet wird. Vakuum-Nullpunktenergie kann dazu führen, dass Photonen angeregte Materie freigesetzt werden. Zum Beispiel produziert das Licht einer Kerze Kerzenlicht. Die Geschichte des menschlichen Gebrauchs des Feuers kann vor mehr als 1 Million Jahren zurückgeführt werden. Feuer brachte Licht und Wärme zu menschlichen Vorfahren und eröffnete das Kapitel der Zivilisation. Flammen und Glühlampen sind beide spontane Strahlungsquellen. Sie verbrennen oder Wärme, um Elektronen in einen energiegeladenen Zustand zu bringen, und füllen dann Photonen unter der Wirkung von Vakuum-Null-Punkt-Energie frei, um die Welt zu beleuchten.
Stimulierte Strahlung zeigt eine tiefere Wechselwirkung zwischen Licht und Materie. Wenn ein externes Photon in einem angeregten Zustand durch eine Substanz fließt, löst es die Substanz aus, um ein neues Photon freizusetzen, das genau das gleiche wie das einfallende Photon ist. Dieses "kopierte" Photon macht den Lichtstrahl stark richtungsweise und konsistent, nämlich der Laser, mit dem wir vertraut sind. Obwohl die Erfindung des Lasers vor weniger als einem Jahrhundert ist, wurde er schnell in das öffentliche Leben integriert und führt zu Erdenschütteln.
Die Erfindung des Lasers hat eine helle Tür für die Menschheit geöffnet, um das Unbekannte zu erkunden. Es bietet uns leistungsstarke Werkzeuge und fördert die Entwicklung der modernen Zivilisation erheblich. Im Bereich Information und Kommunikation haben Laser Hochgeschwindigkeitsfaser-optische Kommunikation Wirklichkeit werden und die globale Verbindungsverbindung ermöglicht. In der medizinischen Versorgung ist die Laserchirurgie durch hohe Präzision und minimalinvasionsfähige Invasivität gekennzeichnet und bietet Patienten sicherere und wirksamere Behandlungsmethoden. In der industriellen Herstellung verbessern das Laserschnitt und das Schweißen die Produktionseffizienz und die Produktgenauigkeit und ermöglichen es den Menschen, anspruchsvollere Maschinen und Geräte zu schaffen. In der wissenschaftlichen Forschung sind Laser wichtige Instrumente für die Erkennung von Gravitationswellen und die Quanteninformationstechnologie und helfen Wissenschaftlern dabei, die Geheimnisse des Universums aufzudecken.
Von Laserdruck und medizinischer Schönheit im täglichen Leben bis hin zu kontrollierten nuklearen Fusions, Laserradar- und Laserwaffen in der modernen Technologie sind Laser überall und haben tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung der Welt. Es hat nicht nur unsere Lebensweise verändert, sondern auch die Fähigkeit der Menschen erweitert, die Natur zu verstehen und zu verändern.
2. Mächtige Werkzeuge, um die Natur zu verstehen und zu nutzen
Inspiriert von Plancks Schwarzkörperstrahlungsgesetz schlug Einstein das Konzept der stimulierten Strahlung im Jahr 1917 vor, und diese Entdeckung legte den Grundstein für die Erfindung von Lasern. 1954 berichteten amerikanische Wissenschaftler Townes und andere erstmals über einen Mikrowellenoszillator, der durch stimulierte Strahlung realisiert wurde, nämlich einen Mikrowellenmaser. Sie verwendeten angeregte Ammoniakmoleküle als Gewinnmedien und verwendeten einen resonanten Microwave -Hohlraum von etwa 12 cm lang, um Feedback zu liefern, um Mikrowellenmaser mit einer Wellenlänge von etwa 12,56 cm zu verwirklichen. Der Mikrowellen -Maser wird als Vorgänger des Lasers angesehen, der Laser kann jedoch mit höherer Häufigkeit kohärenter Strahlung erzeugen, wobei Vorteile wie kleineres Volumen, höhere Intensität und höhere Informationstransportkapazität.
1960 erfand der amerikanische Wissenschaftler Maiman den ersten Laser. Er benutzte einen Rubinstab etwa 1 cm, lang wie das Gewinnmedium, und die beiden Enden der Stange wurden silberisch, um als Reflektoren zu fungieren, um optisches Feedback zu liefern. Unter der Anregung einer Blitzlampe erzeugte das Gerät einen Laserausgang mit einer Wellenlänge von 694,3 Nanometern. Es ist erwähnenswert, dass die Größe des Mikrowellenmasers in der gleichen Größenordnung wie seine Wellenlänge liegt. Nach dieser proportionalen Beziehung sollte die Größe des Lasers etwa 700 Nanometer betragen. Die Größe des ersten Lasers war jedoch viel größer als dieser um mehr als 4 Größenordnungen. Es dauerte ungefähr 30 Jahre, um den Laser auf eine mit der Wellenlänge vergleichbare Größe zu verkleinern, und es dauerte ein halbes Jahrhundert, um die Wellenlängengrenze zu durchbrechen und tiefe Unterwellenlänge zu realisieren.
Im Vergleich zu normalen Lichtquellen konzentriert sich die Strahlungsenergie von Mikrowellenmasern und Lasern in einem sehr engen Frequenzbereich. Daher können diese beiden Erfindungen als lokalisierte elektromagnetische Wellen im Frequenzraum durch stimulierte Strahlung betrachtet werden. Stimulierte Strahlung kann auch verwendet werden, um elektromagnetische Wellen in Zeit, Impuls und Raumabmessungen zu lokalisieren. Durch die Lokalisierung von elektromagnetischen Wellen in diesen Abmessungen können Laserlichtquellen extrem stabile Frequenzschwingungen, ultraforfische Impulse, hohe Richtungen und extrem kleine Modusvolumen erreichen, wodurch wir die Zeit genau messen, schnelle Bewegung beobachten, Informationen und Energie über große Entfernungen übertragen können , die Miniaturisierung der Geräte erreichen und eine höhere Bildgebungsauflösung erhalten.
Seit dem Aufkommen von Lasern verfolgt die Menschen ständig eine stärkere Lokalisierung von Lichtfeldern in Dimensionen wie Häufigkeit, Zeit, Dynamik und Raum, wodurch die schnelle Entwicklung der Laserphysikforschung und Lasergeräte fördert und Laser zu einem leistungsstarken Instrument zum Verständnis und der Nutzung der Natur macht .
In der Frequenzdimension können Laser durch hochwertige Hohlraum, Rückkopplungskontrolle und Umweltisolierung extrem stabile Frequenzen aufrechterhalten und Durchbrüche in vielen wichtigen wissenschaftlichen Forschungen wie Bose-Einstein-Kondensation (Nobelpreis 2001 in Physik), Präzisionslaserspektroskopie (2001 Nobelpreis in Physik), Präzisions-Laserspektroskopie (Kondensation 2001 (2001) fördern, aufrechterhalten. Nobelpreis 2005 in Physik) und Gravitationswellenerkennung (Nobelpreis 2017 in Physik).
In der Zeitabmessung machen die Modusverriegelungstechnologie und die Harmonische Generation mit hoher Ordnung ultraSort-Laserimpulse Wirklichkeit. Durch extreme Zeitlokalisierung können Attosekundenlaser leichte Impulse produzieren, die nur einen optischen Zyklus halten. Dieser Durchbruch ermöglicht es, ultraschnelle Prozesse wie die Bewegung von Elektronen in der inneren Atomeschicht zu beobachten, und gewann den Nobelpreis 2023 in Physik.
In der Impulsdimension hat die Entwicklung von Einzelmoduslasern großer Fläche ein hohes Maß an Lokalisierung des Lichtfeldes im Impulsraum erreicht, wodurch der Laserstrahl hochrichtend ist. Der resultierende hochkollimierte Laser wird voraussichtlich die Entwicklung der optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation mit ultra langer Distanz fördern.
In der räumlichen Dimension ermöglicht die Einführung von Oberflächenplasmonen und Lokalisierungsmechanismen des Lichts der Singularitätslichtfeld das Lasermodusvolumen durch die optische Beugunggrenze und erreicht eine Skala weniger als (λ/2n) 3 (wobei λ die Wellenlänge des freien Raumlichts ist und n ist der Brechungsindex des Materials) und bringt so Nanolaser zur Welt. Die Entstehung von Nanolasern hat eine weitreichende Bedeutung für die Innovation der Informationstechnologie und die Untersuchung der Interaktion zwischen Licht und Materie unter extremen Bedingungen.
3.. Brechen der optischen Beugungsgrenze
Mehr als 30 Jahre nach der Erfindung des Lasers mit der Weiterentwicklung der Mikromaschine-Technologie und einem tieferen Verständnis der Laserphysikforschung und Lasergeräte wurden verschiedene Arten von Micro-Semiconductor-Lasern nacheinander entwickelt, einschließlich Mikro-Disk-Lasern , Photonische Kristallfehlerlaser und Nanodrahtlaser. 1992 realisierten Bell Laboratories in den USA erfolgreich den ersten Mikroscheibenlaser, wobei der Flüstergalerie-Modus in der Mikroscheibe verwendet wurde, damit das Licht wiederholt in der Mikroscheibe reflektiert, resonantes Feedback erzeugt und Lasing erreichen kann. 1999 realisierte das California Institute of Technology in den Vereinigten Staaten den ersten photonischen Kristalldefektlaser, indem er Punktdefekte in zweidimensionalen photonischen Kristallen einführte, um das Licht einzuschränken. Im Jahr 2001 realisierte die University of California, Berkeley, zum ersten Mal die Semiconductor -Nanodrahtlaser mit dem Endgesicht eines Nanodrahtes als Reflektor. Diese Laser reduzieren die Merkmalsgröße in der Größenordnung einer einzelnen Vakuumwellenlänge, aber aufgrund der Einschränkungen der optischen Beugungsgrenze sind diese Laser basierend auf dielektrischen Resonatoren schwer weiter zu schrumpfen.
In der Geometrie ist die Länge der rechtwinkligen Seite eines rechten Dreiecks geringer als die Länge der Hypotenuse. Auf mikroskopischer Skala muss die Länge der beiden rechtwinkligen Seiten größer sein als die Hypotenuse, um die Beugungsgrenze zu brechen. Im Jahr 2009 realisierten drei Teams der Welt zunächst plasmonische Nanolaser, die die optische Beugungsgrenze durchbrachen. Unter ihnen realisierte das Team der University of California, die Berkeley und die Peking University einen plasmonischen Nanolaser, der auf einer eindimensionalen Halbleiter-Nanowire-Isulator-Metal-Struktur basiert. Das Team der Technischen Technik der Eindhoven in den Niederlanden und der Arizona State University in den Vereinigten Staaten entwickelte einen plasmonischen Nanolaser, der auf einer dreischichtigen Plattenstruktur mit metallememischem Dreischicht basiert. Das Team der Norfolk State University und der Purdue University in den Vereinigten Staaten zeigte einen plasmonischen Nanolaser der Kernschalen-Struktur, der auf einer mit Metallkern eingebetteten Gewinnschale basiert, die auf einer lokalisierten Oberflächenplasmonresonanz basiert.
Mit anderen Worten, durch Einführung imaginärer Einheiten in die Dispersionsgleichung konstruierten Wissenschaftler tatsächlich ein spezielles Dreieck mit einer rechtwinkligen Seite länger als die Hypotenuse. Es ist dieses spezielle Dreieck, das es uns ermöglicht, physisch eine stärkere Lokalisierung von Lichtfeld zu erreichen.
Nach mehr als 10 Jahren Entwicklung haben Plasmon -Nanolaser hervorragende Merkmale wie das extrem kleine Modusvolumen, die ultraschnelle Modulationsgeschwindigkeit und einen geringen Energieverbrauch gezeigt. Obwohl das Plasmon -Effekt das Lichtfeld mit der kollektiven Schwingung freier Elektronen in Metallen hat, um eine stärkere Lokalisation des Lichtfeldes zu erreichen Verbrauch und begrenzt seine Kohärenzzeit.
Im Jahr 2024 schlug das Team der Peking University eine neue Singularitätsdispersionsgleichung vor, die die Dispersionsmerkmale der rein dielektrischen Bogen-Tie-Nanoantenna enthüllte. Durch die Einbettung der Nanoantenna des Bogen-Tie in die von dem Peking University Team vorgeschlagene Ecke Nanokavitationsstruktur wurde zum ersten Mal in einem dielektrischen System ein dielektrischer Nanolaser der Singularität, das die optische Beugungsgrenze durchbricht, in einem dielektrischen System realisiert. Mit diesem strukturellen Design kann das Lichtfeld extrem komprimiert werden und kann theoretisch ein unendlich kleines Modusvolumen erreichen, das viel kleiner ist als die optische Beugunggrenze. Darüber hinaus verbessert die ausgefeilte Struktur der Ecknanokavität die Speicherkapazität des Lichtfelds und verleiht dem Singularitätsnanolaser einen ultrahohen Qualitätsfaktor und den Qualitätsfaktor der optischen Hohlraum (dh das Verhältnis der in der optischen Kavität gespeicherten Energie, die in der optischen Kavität gespeichert ist Zu der Energie, die pro Zyklus verloren gegangen ist) kann 1 Million überschreiten.
Das Team der Peking University hat die auf Nanolaser basierende optische Frequenz -Phased -Array -Technologie weiter entwickelt. Sie zeigten erfolgreich das starke Potenzial der Array -kohärenten Lasertechnologie, indem sie die Laserwellenlänge und Phase jedes Nanolaser im Laserarray präzise kontrollierten. Zum Beispiel verwendete das Team diese Technologie, um in Mustern wie "P", "K", "U", "China" und "China" optische Frequenzarray -Kohärent -Laser -Laser zu erreichen, und demonstrierte seine breiten Anwendungsaussichten in den Bereichen integrierte Photonik , Micro-Nano-Lichtquellen-Arrays und optische Kommunikation. (Autor: MA Renmin, Professor der School of Physics, Peking University)
