Нанолазер - Nanolaser

Нанолазер является лазером , который имеет наноразмерных размеры , и это относится к микро- / нано- устройство , которое может излучать свет с легкой или электрическим возбуждением нанопроводов или других наноматериалов , которые служат в качестве резонаторов . Стандартной особенностью нанолазеров является ограничение света в масштабе, приближающемся к дифракционному пределу света или подавляющем его . Эти крошечные лазеры можно быстро модулировать, и в сочетании с их небольшой занимаемой площадью это делает их идеальными кандидатами для оптических вычислений на кристалле .

История

Альберт Эйнштейн предложил стимулированное излучение в 1916 году, что способствовало первой демонстрации лазера в 1961 году. С тех пор люди все время стремятся к миниатюризации лазеров для получения более компактных размеров и меньшего потребления энергии. С тех пор, как в 1990-х годах люди заметили, что свет по-разному взаимодействует с веществом на наномасштабе, был достигнут значительный прогресс в достижении миниатюризации лазеров и повышения эффективности преобразования энергии. За последние десятилетия были разработаны различные типы нанолазеров.

В 1990-х годах было продемонстрировано , что некоторые интригующие конструкции лазеров на микродисках и лазеров на фотонных кристаллах имеют размер резонатора или энергетический объем с микро- и наноразмером и приближаются к дифракционному пределу света. Фотолюминесценция объемных нанопроволок ZnO была впервые описана в 2001 году профессором Пейдонг Янгом из Калифорнийского университета в Беркли, и это открыло двери для изучения нанопроволок нанолазеров . Эти конструкции все еще не превышают дифракционный предел до демонстрации плазмонных лазеров или спазеров.

Дэвид Дж. Бергман и Марк Стокман впервые предложили усиленные поверхностные плазмонные волны с помощью стимулированного излучения и в 2003 году придумали термин спазер как «усиление поверхностных плазмонов с помощью вынужденного излучения». До 2009 года плазмонные нанолазеры или спазеры впервые были получены экспериментально, которые были считались самыми маленькими нанолазерами в то время.

Хронология развития нанолазеров.

Примерно с 2010 года наблюдается прогресс в технологии нанолазеров, и были разработаны новые типы нанолазеров, такие как лазер с симметрией четности и времени, лазер на связанных состояниях в континууме и лазер с фотонными топологическими изоляторами .

Сравнение с обычными лазерами

Имея много общего со стандартными лазерами, нанолазеры сохраняют многие уникальные особенности и отличия от обычных лазеров из-за того, что свет по-разному взаимодействует с веществом на наномасштабе.

Механизм

Подобно обычным лазерам, нанолазеры также основаны на вынужденном излучении, предложенном Эйнштейном; Основное отличие нанолазеров от традиционных по механизму - удержание света. Резонатор или полость играет важную роль в выборе света с определенной частотой и в том же направлении, что и наиболее приоритетное усиление, и в подавлении другого света для достижения ограничения света. Для обычных лазеров применяется резонатор Фабри – Перо с двумя параллельными отражающими зеркалами. В этом случае свет может быть ограничен максимум половиной его длины волны, и такой предел считается пределом дифракции света. Чтобы приблизиться или уменьшить дифракционный предел света, можно улучшить отражательную способность усиливающей среды , например, используя фотонную запрещенную зону и нанопроволоки. Другой эффективный способ превысить дифракционный предел - преобразовать свет в поверхностные плазмоны в наноструктурированных металлах для усиления в резонаторе. Недавно были предложены новые механизмы сильного удержания света для нанолазеров, включая четно-временную симметрию, фотонные топологические изоляторы и связанные состояния в континууме.

Характеристики

Сравнение свойств нанолазеров и макролазеров. По сравнению с макролазерами, нанолазеры имеют уменьшенные размеры, более низкие пороги и повышенную скорость модуляции.

По сравнению с обычными лазерами, нанолазеры демонстрируют отличные свойства и возможности. Самыми большими преимуществами нанолазеров являются их сверхмалые физические объемы, позволяющие повысить энергоэффективность, снизить пороги генерации и достичь высоких скоростей модуляции.

Типы нанолазеров

Лазерный микродиск

СЭМ-изображение микродискового лазера с резонатором на моде шепчущей галереи.

Лазер на микродисках - это очень маленький лазер, состоящий из диска со встроенными структурами с квантовыми ямами . Его размеры могут существовать в микромасштабе или наномасштабе. В лазерах на микродисках используется резонатор с режимом шепчущей галереи . Свет в полости распространяется по периметру диска, и полное внутреннее отражение фотонов может привести к сильному ограничению света и высокому коэффициенту качества, что означает мощную способность микрополости накапливать энергию фотонов, попавших в полость.

Фотонно-кристаллический лазер

В лазерах на фотонных кристаллах используются периодические диэлектрические структуры с разными показателями преломления; свет может быть ограничен с помощью микрополости фотонного кристалла. В диэлектрических материалах существует упорядоченное пространственное распределение. Когда есть дефект в периодической структуре, двумерная или трехмерная фотонно-кристаллическая структура будет ограничивать свет в пространстве дифракционного предела и вызывать явление резонанса Фано , что означает высокую добротность с сильным удержанием света. для лазеров. Фундаментальной особенностью фотонных кристаллов является фотонная запрещенная зона, то есть свет, частота которого попадает в фотонную запрещенную зону, не может распространяться в кристаллической структуре, что приводит к высокой отражательной способности падающего света и сильному ограничению света небольшим объемом. шкалы длин волн. Появление фотонных кристаллов полностью подавляет спонтанное излучение в фотонной щели. Но высокая стоимость фотонных кристаллов препятствует развитию и распространению применения лазеров на фотонных кристаллах.

Нанолазер на основе нанопроволоки

Схема нанопроволочных лазеров.

Полупроводниковые нанопроволочные лазеры имеют квазиодномерную структуру с диаметром от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров и длиной от сотен нанометров до нескольких микрон. Ширина нанопроволок достаточно велика, чтобы игнорировать квантовый размерный эффект , но это высококачественные одномерные волноводы с цилиндрическим, прямоугольным, тригональным и гексагональным поперечным сечением. Квазиодномерная структура и высокая отражательная способность нанопроволочного лазера делают его хорошим оптическим волноводом и способностью удерживать свет. Нанопроволочные лазеры аналогичны по механизму резонаторам Фабри – Перо . Высокая отражательная способность нанопроволоки и плоские торцы проволоки образуют хорошую резонансную полость, в которой фотоны могут связываться между двумя концами нанопроволоки, чтобы ограничить световую энергию осевым направлением нанопроволоки, тем самым соблюдая условия для лазерного формирования. . Полигональные нанопроволоки могут образовывать почти круглую полость в поперечном сечении, которая поддерживает режим шепчущей галереи.

Плазмонный нанолазер

Схематическое изображение плазмонного нанолазера. Процесс формирования генерации включает передачу энергии, преобразующую фотоны в поверхностные плазмоны.

Нанолазер на основе поверхностного плазмона известен как плазмонный нанолазер, размер которого намного превышает дифракционный предел света. В частности, если плазмонный нанолазер является наноскопическим в трех измерениях, его также называют спазером , который, как известно, имеет наименьший размер резонатора и размер моды. Создание плазмонного нанолазера в настоящее время стало одним из наиболее эффективных технологических методов лазерной миниатюризации. Немного отличаясь от обычных лазеров, типичная конфигурация плазмонного нанолазера включает в себя процесс передачи энергии для преобразования фотонов в поверхностные плазмоны. В плазмонном нанолазере или спазере экситон - это уже не фотоны, а поверхностный плазмон-поляритон . Поверхностные плазмоны - это коллективные колебания свободных электронов на металлических поверхностях под действием внешних электромагнитных полей . По их проявлениям режим резонатора в плазмонных нанолазерах можно разделить на распространяющиеся поверхностные плазмон-поляритоны (SPP) и нераспространяющиеся локализованные поверхностные плазмоны (LSP).

Схема режима SPP, в котором поверхностные плазмонные поляритоны распространяются вдоль границы раздела между металлом и диэлектриком.

ППП - это электромагнитные волны, которые распространяются вдоль границы раздела между металлом и средой, и их интенсивность постепенно спадает в направлении, перпендикулярном границе распространения. В 2008 году Oulton экспериментально подтвердил плазменный нанопроволочный лазер, состоящий из тонкого диэлектрического слоя с низким коэффициентом отражения, растущего на металлической поверхности, и усиливающего слоя с полупроводниковой нанопроволокой с высоким показателем преломления . В этой структуре электромагнитное поле может передаваться от металлического слоя к промежуточному зазору, так что энергия моды сильно концентрируется, что значительно снижает потери энергии в металле.

Схема конфигурации трехмерного спазера в среде усиливающей среды на основе локализованных поверхностных плазмонов. Металлический сердечник обеспечивает плазмонную моду, а поверхностные плазмон-поляритоны формируются на поверхности нанооболочки с диоксидом кремния, легированным красителем, в качестве усиливающей среды.

Режим LSP существует во множестве различных металлических наноструктур, таких как металлические наночастицы (наносферы, наностержни, нанокубики и т. Д.) И массивы наночастиц. В отличие от распространяющихся поверхностных плазмон-поляритонов, локализованный поверхностный плазмон не распространяется по поверхности, а колеблется взад и вперед в наноструктуре в виде стоячих волн. Когда свет падает на поверхность металлических наночастиц, он вызывает реальное смещение заряда поверхности относительно ионов. Притяжение между электронами и ионами позволяет колебаться облаку электродов и формировать локальную поверхность из поляризационного эксимера. Колебание электронов определяется геометрическими границами различных металлических наночастиц. Когда его резонансная частота согласуется с падающим электромагнитным полем, он образует локализованный поверхностный плазмонный резонанс. В 2009 году Михаил Ногинов из Норфолкского государственного университета в США впервые успешно проверил нанолазер на основе LSP. Нанолазер в этой статье состоял из сердечника из Au, обеспечивающего плазмонную моду, и диоксида кремния, легированного красителем OG-488, обеспечивающего усиливающую среду. Диаметр ядра Au составлял 14 нм, толщина слоя кремнезема составляла 15 нм, а диаметр всего устройства составлял всего 44 нм, что было самым маленьким нанолазером в то время.

Новые типы нанолазеров

Кроме того, в последние годы было разработано несколько новых типов нанолазеров, приближающихся к дифракционному пределу. Симметрия по времени и четности связана с балансом оптического усиления и потерь в системе связанных резонаторов. Когда контролируются контраст усиления-потерь и константа связи между двумя идентичными близко расположенными резонаторами, фазовый переход мод генерации происходит в исключительной точке. Связанные состояния в континуальном лазере ограничивают свет в открытой системе за счет устранения состояний излучения за счет деструктивной интерференции между резонансными модами. Лазер на фотонном топологическом изоляторе основан на оптическом режиме топологических изоляторов, в котором топологические состояния ограничены границами резонатора, и они могут быть использованы для формирования лазера. Все эти новые типы нанолазеров имеют высокий коэффициент качества и могут достигать размера полости и размера моды, приближающихся к дифракционному пределу света.

Приложения

Благодаря уникальным возможностям, включая низкие пороги генерации, высокую энергоэффективность и высокую скорость модуляции, нанолазеры демонстрируют большой потенциал для практического применения в области определения характеристик материалов , интегрированных оптических межсоединений и датчиков.

Нанолазеры для определения характеристик материалов

Интенсивные оптические поля такого лазера также обеспечивают эффект усиления в нелинейной оптике или поверхностно-усиленном рамановском рассеянии ( SERS ). Нанолазеры на основе нанопроволоки могут быть способны к оптическому обнаружению в масштабе отдельной молекулы с высоким разрешением и сверхбыстрой модуляцией.

Нанолазеры для интегрированных оптических межсоединений

Интернет развивается с чрезвычайно высокой скоростью с большим потреблением энергии для передачи данных . Высокая энергоэффективность нанолазеров играет важную роль в снижении энергопотребления для будущего общества.

Нанолазеры для зондирования

Недавно были продемонстрированы плазмонные нанолазерные сенсоры, которые могут обнаруживать определенные молекулы в воздухе и могут использоваться в оптических биосенсорах . Молекулы могут изменять поверхность металлических наночастиц и влиять на скорость поверхностной рекомбинации усиливающей среды плазмонного нанолазера, что способствует механизму обнаружения плазмонных нанолазеров.

Вызовы

Хотя нанолазеры продемонстрировали большой потенциал, все еще существуют некоторые проблемы в отношении крупномасштабного использования нанолазеров, например, нанолазеры с электрическим инжектированием, разработка конфигурации полости и улучшение качества металла. Для нанолазеров реализация работы с электрическим впрыском или накачкой при комнатной температуре является ключевым шагом на пути к их практическому применению. Однако большинство нанолазеров имеют оптическую накачку, и создание нанолазеров с инжекцией электричества все еще остается основной технической проблемой в настоящее время. Лишь в нескольких исследованиях сообщалось о нанолазерах с инжекцией электричества. Более того, по-прежнему остается проблемой реализовать проектирование конфигурации резонатора и улучшение качества металла, которые имеют решающее значение для удовлетворения требований к высокой производительности нанолазеров и их применения. В последнее время массивы нанолазеров демонстрируют большой потенциал для повышения энергоэффективности и ускорения скорости модуляции.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки