Il nanolaser è un tipo di dispositivo micro e nano costituito da nanomateriali, come i nanofili, che funge da risonatore e può emettere un raggio laser sotto fotoeccitazione o eccitazione elettrica. Le dimensioni di questo laser sono spesso di poche centinaia di micron o addirittura decine di micron, e il diametro arriva fino all'ordine dei nanometri, il che rappresenta un aspetto importante per i futuri display a film sottile, l'ottica integrata e 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 del mondo – i nanolaser – su un filo nanoottico lungo appena 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 intenso. I ricercatori hanno utilizzato una tecnica standard chiamata epifitazione orientata per creare il laser da cristalli di ossido di zinco puro. Per prima cosa hanno "coltivato" 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. Quindi, quando i ricercatori hanno attivato i cristalli di ossido di zinco puro nei nanofili con un altro laser sotto la serra, i cristalli di ossido di zinco puro hanno emesso un laser con una lunghezza d'onda di soli 17 nm. Questi nanolaser potrebbero in futuro essere utilizzati per identificare sostanze chimiche e migliorare la capacità di archiviazione delle informazioni dei dischi rigidi e dei computer fotonici.
2. Nanolaser ultravioletto
In seguito all'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 nanolaser a temperatura ambiente. Questo nanolaser all'ossido di zinco può emettere un laser con una larghezza di linea 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 a ZnO fosse facile da produrre, avesse un'elevata luminosità, dimensioni ridotte e prestazioni pari o addirittura superiori a quelle dei laser blu al GaN. Grazie alla capacità di realizzare array di nanofili ad alta densità, i nanolaser a ZnO possono trovare applicazione in molte applicazioni non possibili con gli attuali dispositivi al GaAs. Per la produzione di tali laser, il nanofilo di ZnO viene sintetizzato mediante il metodo del trasporto di gas che catalizza la crescita cristallina epitassiale. Innanzitutto, il substrato di zaffiro viene rivestito con uno strato di film d'oro spesso 1 nm~3,5 nm, quindi posizionato su una navicella di allumina. Il materiale e il substrato vengono riscaldati a 880 °C ~905 °C in un flusso di ammoniaca per produrre vapore di Zn, che viene poi trasportato al substrato. Nel processo di crescita di 2 min~10 min sono stati generati nanofili di 2 μm~10 μm con sezione trasversale esagonale. I ricercatori hanno scoperto che il nanofilo di ZnO forma una cavità laser naturale con un diametro compreso tra 20 nm e 150 nm, e la maggior parte (95%) del suo diametro è compresa tra 70 nm e 100 nm. Per studiare l'emissione stimolata dei nanofili, i ricercatori hanno pompato otticamente il campione in una serra con l'uscita di quarta armonica di un laser Nd:YAG (lunghezza d'onda di 266 nm, larghezza d'impulso di 3 ns). Durante l'evoluzione dello spettro di emissione, la luce viene modulata con l'aumento della potenza di pompaggio. Quando il laser supera la soglia del nanofilo di ZnO (circa 40 kW/cm), il punto più alto apparirà nello spettro di emissione. La larghezza di linea di questi punti più alti è inferiore a 0,3 nm, ovvero oltre 1/50 in meno della larghezza di linea dal vertice di emissione al di sotto della soglia. Queste strette larghezze di linea e i rapidi aumenti dell'intensità di emissione hanno portato i ricercatori a concludere che l'emissione stimolata si verifica effettivamente in questi nanofili. 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 campi dell'informatica ottica, dell'archiviazione delle informazioni e dei nanoanalizzatori.
3. Laser a pozzo quantico
Prima e dopo il 2010, la larghezza della linea incisa sul chip semiconduttore raggiungerà i 100 nm o meno, e ci saranno solo pochi elettroni in movimento nel circuito, e l'aumento o la diminuzione di un elettrone avrà un grande impatto sul funzionamento del circuito. Per risolvere questo problema, sono nati i laser a pozzo quantistico. In meccanica quantistica, un campo di potenziale che vincola il movimento degli elettroni e li quantizza è chiamato pozzo quantistico. Questo vincolo quantistico viene utilizzato per formare livelli di energia quantistica 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 un laser a pozzo quantistico. Esistono due tipi di laser a pozzo quantistico: laser a linea quantistica e laser a punti quantici.
① Laser a linea quantistica
Gli scienziati hanno sviluppato laser a filo quantistico 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, che può aumentare la velocità di audio, video, Internet e altre forme di comunicazione su reti in fibra ottica, è stato sviluppato da scienziati della Yale University, dei 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 (50 miglia) lungo la linea di comunicazione, producendo impulsi laser meno intensi durante il viaggio attraverso la fibra (ripetitori).
Data di pubblicazione: 15 giugno 2023