Laser banyak digunakan dalam komunikasi, pencitraan medis dan pembedahan, elektronik konsumen dan bidang lainnya, dan telah sangat mengubah kehidupan orang. Dalam beberapa tahun terakhir, untuk membuat ukuran laser lebih kecil, para ilmuwan telah mengembangkan nanolaser, yang tidak hanya mempromosikan miniaturisasi dan integrasi perangkat fotonik, tetapi juga membuka jalur baru untuk mempelajari interaksi antara cahaya dan materi dalam kondisi ekstrem. Artikel ini dimulai dengan generasi cahaya dan membawa Anda untuk menjelajahi dunia nanolaser secara mendalam.
Di bidang teknologi informasi, transistor dan laser adalah dua komponen inti. Miniaturisasi transistor telah mempromosikan perkembangan chip elektronik yang cepat dan melahirkan hukum Moore yang terkenal - jumlah transistor yang dapat ditampung di sirkuit terintegrasi akan berlipat ganda setiap 18 bulan atau lebih. Tren ini telah mendorong ukuran transistor paling canggih ke tingkat nanometer. Saat ini, lebih dari 10 miliar transistor dapat diintegrasikan ke dalam ponsel dan chip komputer yang digunakan oleh publik, memberikan perangkat ini kemampuan pemrosesan informasi yang kuat dan mempromosikan kedatangan era digital dan cerdas. Pada saat yang sama, miniaturisasi laser telah memicu revolusi dalam teknologi fotonik. Setelah lebih dari setengah abad pengembangan, laser semikonduktor miniatur telah banyak digunakan dalam komunikasi, penyimpanan data, pencitraan medis dan pembedahan, penginderaan dan pengukuran, elektronik konsumen, manufaktur aditif, tampilan dan pencahayaan dan bidang lainnya.
Laser penskalaan lebih sulit daripada transistor karena mereka mengandalkan transistor partikel mikroskopis yang sangat berbeda mengandalkan elektron, sementara laser bergantung pada foton. Dalam pita yang terlihat dan dekat-inframerah, panjang gelombang foton adalah tiga urutan besarnya lebih tinggi dari panjang gelombang elektron dalam transistor. Tunduk pada batas difraksi, volume mode minimum di mana foton -foton ini dapat diperas adalah sekitar sembilan urutan besarnya, atau satu miliar kali, lebih besar dari elektron dalam transistor. Tantangan inti dalam membangun laser skala nano adalah bagaimana menembus batas difraksi dan "mengompres" volume foton ke batas. Mengatasi masalah ini tidak hanya akan secara signifikan mempromosikan pengembangan teknologi fotonik, tetapi juga akan menimbulkan banyak skenario aplikasi baru. Bayangkan bahwa ketika foton, seperti elektron, dapat dimanipulasi secara fleksibel pada skala nanometer, kita dapat menggunakan cahaya untuk secara langsung mengamati struktur DNA yang halus, dan kita juga dapat membuat chip terintegrasi optoelektronik berskala besar, dan kecepatan dan efisiensi pemrosesan informasi akan ada menjadi sangat ditingkatkan.
Dalam beberapa tahun terakhir, melalui plasmon permukaan dan mekanisme lokalisasi lapangan cahaya singular, volume mode laser telah melampaui batas difraksi optik dan memasuki skala nano, sehingga menimbulkan nanolaser.
1. Buka pintu terang untuk menjelajahi yang tidak diketahui
Di alam, cahaya dihasilkan dalam dua cara: radiasi spontan dan radiasi yang distimulasi.
Radiasi spontan adalah proses yang luar biasa. Bahkan dalam kegelapan total dan tanpa foton eksternal, materi dapat memancarkan cahaya sendiri. Ini karena kekosongan tidak benar -benar "kosong". Itu diisi dengan fluktuasi energi kecil, yang disebut energi nol vakum. Energi vakum nol-titik dapat menyebabkan materi tereksitasi melepaskan foton. Misalnya, penerangan lilin menghasilkan lilin. Sejarah penggunaan api manusia dapat ditelusuri kembali ke lebih dari 1 juta tahun yang lalu. Api membawa cahaya dan kehangatan bagi leluhur manusia dan membuka bab peradaban. Api dan lampu pijar keduanya adalah sumber radiasi spontan. Mereka membakar atau memanaskan untuk menempatkan elektron ke dalam keadaan berenergi tinggi, dan kemudian melepaskan foton di bawah aksi energi nol vakum untuk menerangi dunia.
Radiasi yang distimulasi mengungkapkan interaksi yang lebih dalam antara cahaya dan materi. Ketika foton eksternal melewati suatu zat dalam keadaan tereksitasi, ia memicu zat untuk melepaskan foton baru yang persis sama dengan foton insiden. Foton "yang disalin" ini membuat sinar cahaya sangat terarah dan konsisten, yang merupakan laser yang kita kenal. Meskipun penemuan laser kurang dari seabad yang lalu, itu dengan cepat diintegrasikan ke dalam kehidupan publik, membawa perubahan yang mengguncang bumi.
Penemuan laser telah membuka pintu yang cerah bagi umat manusia untuk menjelajahi yang tidak diketahui. Ini memberi kita alat yang kuat dan sangat mempromosikan pengembangan peradaban modern. Di bidang informasi dan komunikasi, laser telah membuat komunikasi serat optik berkecepatan tinggi menjadi kenyataan dan memungkinkan interkoneksi global. Dalam perawatan medis, operasi laser ditandai dengan presisi tinggi dan invasif minimal, memberikan pasien dengan metode perawatan yang lebih aman dan lebih efektif. Dalam manufaktur industri, pemotongan laser dan pengelasan meningkatkan efisiensi produksi dan ketepatan produk, memungkinkan orang untuk membuat mesin dan peralatan yang lebih canggih. Dalam penelitian ilmiah, laser adalah alat utama untuk deteksi gelombang gravitasi dan teknologi informasi kuantum, membantu para ilmuwan mengungkap misteri alam semesta.
Dari pencetakan laser dan kecantikan medis dalam kehidupan sehari-hari hingga fusi nuklir terkontrol, radar laser dan senjata laser dalam teknologi mutakhir, laser ada di mana-mana dan memiliki dampak mendalam pada pengembangan dunia. Ini tidak hanya mengubah cara hidup kita, tetapi juga memperluas kemampuan manusia untuk memahami dan mengubah alam.
2. Alat yang kuat untuk memahami dan memanfaatkan alam
Terinspirasi oleh hukum radiasi Blackbody Planck, Einstein mengusulkan konsep radiasi yang distimulasi pada tahun 1917, dan penemuan ini meletakkan dasar bagi penemuan laser. Pada tahun 1954, American Scientists Townes dan lainnya pertama kali melaporkan osilator gelombang mikro yang direalisasikan dengan radiasi yang distimulasi, yaitu maser gelombang mikro. Mereka menggunakan molekul amonia yang bersemangat sebagai media gain dan menggunakan rongga resonansi gelombang mikro sekitar 12 cm untuk memberikan umpan balik, mewujudkan microwave masers dengan panjang gelombang sekitar 12,56 cm. Microwave Maser dianggap sebagai pendahulu laser, tetapi laser dapat menghasilkan radiasi yang koheren pada frekuensi yang lebih tinggi, dengan keunggulan seperti volume yang lebih kecil, intensitas yang lebih tinggi, dan kapasitas daya dukung informasi yang lebih tinggi.
Pada tahun 1960, ilmuwan Amerika Maiman menemukan laser pertama. Dia menggunakan batang ruby sekitar 1 cm sepanjang media penguatan, dan kedua ujung batang dilapisi perak untuk bertindak sebagai reflektor untuk memberikan umpan balik optik. Di bawah eksitasi lampu flash, perangkat menghasilkan output laser dengan panjang gelombang 694,3 nanometer. Perlu dicatat bahwa ukuran microwave maser berada pada urutan besarnya dengan panjang gelombangnya. Menurut hubungan proporsional ini, ukuran laser harus sekitar 700 nanometer. Namun, ukuran laser pertama jauh lebih besar dari ini, dengan lebih dari 4 pesanan besarnya. Butuh sekitar 30 tahun untuk mengecilkan laser ke ukuran yang sebanding dengan panjang gelombang, dan butuh setengah abad untuk menembus batas panjang gelombang dan mewujudkan laser panjang subwavel yang dalam.
Dibandingkan dengan sumber cahaya biasa, energi radiasi massa microwave dan laser terkonsentrasi dalam rentang frekuensi yang sangat sempit. Oleh karena itu, kedua penemuan ini dapat dianggap sebagai pelokalan gelombang elektromagnetik dalam ruang frekuensi melalui radiasi yang distimulasi. Radiasi yang distimulasi juga dapat digunakan untuk melokalisasi gelombang elektromagnetik dalam waktu, momentum dan dimensi ruang. Dengan melokalisasi gelombang elektromagnetik dalam dimensi ini, sumber cahaya laser dapat mencapai osilasi frekuensi yang sangat stabil, pulsa ultra-short, arah tinggi dan volume mode yang sangat kecil, yang memungkinkan kita untuk mengukur waktu secara akurat, mengamati gerakan cepat, mentransmisikan informasi dan energi dalam jarak jauh, yang jauh jarak jauh, mengukur secara akurat, mengamati gerakan cepat, mentransmisikan informasi dan energi dalam jarak yang jauh jauh, yang jauh , mencapai miniaturisasi perangkat, dan mendapatkan resolusi pencitraan yang lebih tinggi.
Sejak munculnya laser, orang -orang terus -menerus mengejar lokalisasi yang lebih kuat dari bidang ringan dalam dimensi seperti frekuensi, waktu, momentum dan ruang, mempromosikan perkembangan cepat penelitian fisika laser dan perangkat laser, menjadikan laser alat yang kuat untuk memahami dan memanfaatkan alam dan alam .
Dalam dimensi frekuensi, melalui rongga berkualitas tinggi, kontrol umpan balik dan isolasi lingkungan, laser dapat mempertahankan frekuensi yang sangat stabil, mempromosikan terobosan dalam banyak penelitian ilmiah utama, seperti kondensasi Bose-Einstein (2001 Hadiah Nobel dalam Fisika), spektroskopi laser presisi ( 2005 Hadiah Nobel dalam Fisika) dan Deteksi Gelombang Gravitasi (2017 Hadiah Nobel dalam Fisika).
Dalam dimensi waktu, teknologi penguncian mode dan teknologi generasi harmonik orde tinggi membuat ultrashort laser pulsa menjadi kenyataan. Melalui lokalisasi waktu ekstrem, laser attosecond dapat menghasilkan pulsa cahaya yang hanya bertahan sekitar satu siklus optik. Terobosan ini memungkinkan untuk mengamati proses ultrafast seperti pergerakan elektron di lapisan dalam atom, dan memenangkan Hadiah Nobel 2023 dalam fisika.
Dalam dimensi momentum, pengembangan laser mode tunggal area besar telah mencapai tingkat lokalisasi bidang cahaya yang tinggi di ruang momentum, membuat sinar laser sangat terarah. Laser yang sangat terkolimasi diharapkan untuk mempromosikan pengembangan komunikasi optik berkecepatan tinggi interstellar ultra-panjang.
In the spatial dimension, the introduction of surface plasmons and singularity light field localization mechanisms allows the laser mode volume to break through the optical diffraction limit and reach a scale less than (λ/2n)3 (where λ is the wavelength of free space light dan n adalah indeks bias material), sehingga melahirkan nanolaser. Munculnya nanolaser memiliki signifikansi yang luas untuk berinovasi teknologi informasi dan mempelajari interaksi antara cahaya dan materi dalam kondisi ekstrem.
3. Melanggar batas difraksi optik
Lebih dari 30 tahun setelah penemuan laser, dengan kemajuan teknologi mikro-mikro dan pemahaman yang lebih dalam tentang penelitian fisika laser dan perangkat laser, berbagai jenis laser mikro-semikonduktor telah dikembangkan satu demi satu, termasuk laser disk mikro-disk mikro , laser cacat kristal fotonik dan laser nanowire. Pada tahun 1992, laboratorium Bell di Amerika Serikat berhasil menyadari laser mikro-disk pertama, menggunakan mode galeri Whispering dalam disk mikro untuk memungkinkan cahaya berulang kali merenung dalam mikro-disk, menghasilkan umpan balik resonansi dan mencapai penguatan. Pada tahun 1999, California Institute of Technology di Amerika Serikat menyadari laser cacat kristal fotonik pertama dengan memperkenalkan cacat titik pada kristal fotonik dua dimensi untuk membatasi cahaya. Pada tahun 2001, University of California, Berkeley, berhasil menyadari laser nanowire semikonduktor untuk pertama kalinya menggunakan wajah akhir dari seorang nanowire sebagai reflektor. Laser ini mengurangi ukuran fitur hingga urutan panjang gelombang vakum tunggal, tetapi karena keterbatasan batas difraksi optik, laser ini berdasarkan resonator dielektrik sulit untuk semakin menyusut.
Dalam geometri, panjang sisi sudut kanan dari segitiga kanan kurang dari panjang hipotenus. Pada skala mikroskopis, untuk memecahkan batas difraksi, panjang kedua sisi yang bersudut kanan harus lebih besar dari hipotenus. Pada tahun 2009, tiga tim di dunia pertama kali mewujudkan nanolaser plasmonik yang menerobos batas difraksi optik. Di antara mereka, tim University of California, Berkeley dan Universitas Peking menyadari nanolaser plasmonik berdasarkan struktur nanowire-insulator-logam semikonduktor satu dimensi; Tim Universitas Teknologi Eindhoven di Belanda dan Universitas Negeri Arizona di Amerika Serikat mengembangkan nanolaser plasmonik berdasarkan pada struktur pelat datar tiga-pemetual-logam-metal; Tim Universitas Negeri Norfolk dan Universitas Purdue di Amerika Serikat menunjukkan struktur inti nanolaser plasmonik berdasarkan cangkang medium penguatan inti-inti logam berdasarkan resonansi plasmon permukaan yang terlokalisasi.
Dengan kata lain, dengan memperkenalkan unit imajiner dalam persamaan dispersi, para ilmuwan benar-benar membangun segitiga khusus dengan sisi sudut kanan lebih lama dari hipotenuse. Segitiga khusus inilah yang memungkinkan kita untuk secara fisik mencapai lokalisasi lapangan cahaya yang lebih kuat.
Setelah lebih dari 10 tahun pengembangan, nanolaser Plasmon telah menunjukkan karakteristik yang sangat baik seperti volume mode yang sangat kecil, kecepatan modulasi ultrafast dan konsumsi energi yang rendah. Namun, dibandingkan dengan bahan dielektrik, meskipun efek plasmon memasangkan medan cahaya dengan osilasi kolektif elektron bebas dalam logam untuk mencapai lokalisasi medan cahaya yang lebih kuat, kopling ini juga memperkenalkan kerugian ohmik yang melekat, yang mengarah ke pembentukan panas, yang pada gilirannya meningkatkan daya perangkat perangkat konsumsi dan membatasi waktu koherensi.
Pada tahun 2024, tim Universitas Peking mengusulkan persamaan dispersi singularitas baru, mengungkapkan karakteristik dispersi nanoantenna all-dielektrik. Dengan menanamkan nanoantenna dasi kupu-kupu ke sudut struktur nanokavitas yang diusulkan oleh tim Universitas Peking, sebuah nanolaser dielektrik singularitas yang merusak batas difraksi optik direalisasikan dalam sistem dielektrik untuk pertama kalinya. Desain struktural ini memungkinkan medan cahaya dikompresi ke ekstrem, dan secara teoritis dapat mencapai volume mode yang sangat kecil, yang jauh lebih kecil dari batas difraksi optik. Selain itu, struktur nanokavitas sudut yang canggih semakin meningkatkan kapasitas penyimpanan bidang cahaya, memberikan nanolaser singularitas faktor kualitas yang sangat tinggi, dan faktor kualitas rongga optiknya (yaitu, rasio energi yang disimpan dalam rongga optik optik ke energi yang hilang per siklus) dapat melebihi 1 juta.
Tim Universitas Peking lebih lanjut mengembangkan teknologi array bertahap frekuensi optik berdasarkan nanolaser. Mereka berhasil menunjukkan potensi kuat dari teknologi penguat koheren yang disusun dengan secara tepat mengendalikan panjang gelombang penguat dan fase masing -masing nanolaser dalam array laser. Sebagai contoh, tim menggunakan teknologi ini untuk mencapai lasing koheren frekuensi optik dalam pola seperti "p", "k", "u", "Cina" dan "Cina", menunjukkan prospek penerapannya yang luas di bidang fotonik terintegrasi yang terintegrasi , array sumber cahaya mikro-nano dan komunikasi optik. (Penulis: Ma Renmin, Profesor Sekolah Fisika, Universitas Peking)
