Il nanolaser è un tipo di dispositivo micro e nano, costituito da nanomateriali come i nanofili che fungono da risonatori e che possono emettere un raggio laser sotto eccitazione fotochimica o elettrica. Le dimensioni di questi laser sono spesso di poche centinaia o addirittura decine di micron, con diametri che raggiungono l'ordine del nanometro, e rappresentano un elemento importante per le future applicazioni nei display a film sottile, nell'ottica integrata e in altri settori.
Classificazione dei nanolaser:
1. Laser a nanofili
Nel 2001, i ricercatori dell'Università della California, Berkeley, negli Stati Uniti, hanno creato il laser più piccolo al mondo – un nanolaser – su un filo nano-ottico lungo solo un millesimo di un capello umano. Questo laser non solo emette raggi ultravioletti, ma può anche essere sintonizzato per emettere raggi laser che vanno dal blu all'ultravioletto profondo. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica standard chiamata epifitazione orientata per creare il laser a partire da cristalli di ossido di zinco puro. Hanno prima "coltivato" dei nanofili, ovvero fili di ossido di zinco puro formati su uno strato d'oro con un diametro compreso tra 20 nm e 150 nm e una lunghezza di 10.000 nm. Successivamente, quando i ricercatori hanno attivato i cristalli di ossido di zinco puro nei nanofili con un altro laser in una serra, i cristalli di ossido di zinco puro hanno emesso un laser con una lunghezza d'onda di soli 17 nm. Tali nanolaser potrebbero essere utilizzati in futuro per identificare sostanze chimiche e migliorare la capacità di archiviazione delle informazioni di dischi rigidi e computer fotonici.
2. Nanolaser ultravioletto
Dopo l'avvento dei microlaser, dei laser a microdisco, dei laser a microanello e dei laser a valanga quantistica, il chimico Yang Peidong e i suoi colleghi dell'Università della California, Berkeley, hanno realizzato dei nanolaser a temperatura ambiente. Questo nanolaser a ossido di zinco è in grado di emettere un laser con una larghezza di riga inferiore a 0,3 nm e una lunghezza d'onda di 385 nm sotto eccitazione luminosa, ed è considerato il laser più piccolo al mondo e uno dei primi dispositivi pratici realizzati utilizzando la nanotecnologia. Nella fase iniziale di sviluppo, i ricercatori avevano previsto che questo nanolaser ZnO sarebbe stato facile da produrre, ad alta luminosità, di piccole dimensioni e con prestazioni pari o addirittura superiori a quelle dei laser blu GaN. Grazie alla capacità di realizzare array di nanofili ad alta densità, i nanolaser ZnO possono trovare applicazione in molti ambiti non possibili con gli attuali dispositivi GaAs. Per far crescere questi laser, i nanofili di ZnO vengono sintetizzati mediante un metodo di trasporto in gas che catalizza la crescita epitassiale del cristallo. Innanzitutto, il substrato di zaffiro viene rivestito con uno strato di film d'oro di spessore compreso tra 1 nm e 3,5 nm, quindi posizionato su una barchetta di allumina. Il materiale e il substrato vengono riscaldati a temperature comprese tra 880 °C e 905 °C in un flusso di ammoniaca per produrre vapore di zinco, che viene poi trasportato sul substrato. Nel processo di crescita, della durata di 2-10 minuti, sono stati generati nanofili di dimensioni comprese tra 2 μm e 10 μm con sezione trasversale esagonale. I ricercatori hanno scoperto che i nanofili di ZnO formano una cavità laser naturale con un diametro compreso tra 20 nm e 150 nm, e la maggior parte (95%) ha un diametro compreso tra 70 nm e 100 nm. Per studiare l'emissione stimolata dei nanofili, i ricercatori hanno pompato otticamente il campione in una serra con la quarta armonica di un laser Nd:YAG (lunghezza d'onda di 266 nm, larghezza dell'impulso di 3 ns). Durante l'evoluzione dello spettro di emissione, la luce viene modulata con l'aumento della potenza di pompaggio. Quando l'emissione laser supera la soglia del nanofilo di ZnO (circa 40 kW/cm), nello spettro di emissione compare un picco massimo. La larghezza di riga di questi picchi è inferiore a 0,3 nm, ovvero più di 1/50 della larghezza di riga del vertice di emissione al di sotto della soglia. Queste strette larghezze di riga e i rapidi aumenti di intensità di emissione hanno portato i ricercatori a concludere che in questi nanofili si verifica effettivamente un'emissione stimolata. Pertanto, questa matrice di nanofili può agire come un risonatore naturale e quindi diventare una sorgente microlaser ideale. I ricercatori ritengono che questo nanolaser a lunghezza d'onda corta possa essere utilizzato nei settori del calcolo ottico, dell'archiviazione delle informazioni e dei nanoanalizzatori.
3. Laser a pozzo quantico
Prima e dopo il 2010, la larghezza delle linee incise sui chip a semiconduttore raggiungeva i 100 nm o meno, e nel circuito si muovevano solo pochi elettroni, e l'aumento o la diminuzione di un elettrone aveva un grande impatto sul funzionamento del circuito. Per risolvere questo problema, sono nati i laser a pozzo quantico. In meccanica quantistica, un campo di potenziale che vincola il movimento degli elettroni e li quantizza è chiamato pozzo quantico. Questo vincolo quantico viene utilizzato per formare livelli di energia quantici nello strato attivo del laser a semiconduttore, in modo che la transizione elettronica tra i livelli di energia domini la radiazione eccitata del laser, che è appunto un laser a pozzo quantico. Esistono due tipi di laser a pozzo quantico: laser a linea quantica e laser a punto quantico.
① Laser a linea quantistica
Gli scienziati hanno sviluppato laser a filo quantico 1.000 volte più potenti dei laser tradizionali, compiendo un grande passo avanti verso la creazione di computer e dispositivi di comunicazione più veloci. Il laser, in grado di aumentare la velocità di audio, video, Internet e altre forme di comunicazione su reti in fibra ottica, è stato sviluppato da scienziati dell'Università di Yale, di Lucent Technologies Bell LABS nel New Jersey e del Max Planck Institute for Physics di Dresda, in Germania. Questi laser ad alta potenza ridurrebbero la necessità di costosi ripetitori, installati ogni 80 km lungo la linea di comunicazione, che producono impulsi laser meno intensi man mano che si propagano attraverso la fibra.
Data di pubblicazione: 15 giugno 2023