ნანოლაზერების კონცეფცია და კლასიფიკაცია

ნანოლაზერი არის მიკრო და ნანო მოწყობილობის სახეობა, რომელიც დამზადებულია ნანომასალებისგან, როგორიცაა ნანომავთულები რეზონატორის სახით და შეუძლია ლაზერის გამოსხივება ფოტოაგზნების ან ელექტრული აგზნების დროს. ამ ლაზერის ზომა ხშირად მხოლოდ ასობით მიკრონი ან თუნდაც ათობით მიკრონია, ხოლო დიამეტრი ნანომეტრის რიგისაა, რაც მომავლის თხელი ფირის დისპლეის, ინტეგრირებული ოპტიკის და სხვა სფეროების მნიშვნელოვანი ნაწილია.

ნანოლაზერის კლასიფიკაცია:

1. ნანომავთულებიანი ლაზერი

2001 წელს, აშშ-ში, კალიფორნიის უნივერსიტეტის (ბერკლი) მკვლევარებმა შექმნეს მსოფლიოში ყველაზე პატარა ლაზერი - ნანოლაზერები - ნანოოპტიკურ მავთულზე, რომლის სიგრძე ადამიანის თმის სიგრძის მხოლოდ ერთი მეათასედი ნაწილია. ეს ლაზერი არა მხოლოდ ასხივებს ულტრაიისფერ ლაზერებს, არამედ შეიძლება მორგებული იყოს ლურჯიდან ღრმა ულტრაიისფერამდე დიაპაზონის ლაზერების გამოსასხივებლად. მკვლევარებმა გამოიყენეს სტანდარტული ტექნიკა, რომელსაც ორიენტირებულ ეპიფიტაციას უწოდებენ, რათა შეექმნათ ლაზერი სუფთა თუთიის ოქსიდის კრისტალებისგან. მათ თავდაპირველად „გააკულტივეს“ ნანომავთულები, ანუ ისინი ჩამოყალიბდა ოქროს ფენაზე, რომლის დიამეტრი 20 ნმ-დან 150 ნმ-მდეა და სიგრძე 10,000 ნმ სუფთა თუთიის ოქსიდის მავთულები. შემდეგ, როდესაც მკვლევარებმა გაააქტიურეს სუფთა თუთიის ოქსიდის კრისტალები ნანომავთულებში სათბურის ქვეშ კიდევ ერთი ლაზერით, სუფთა თუთიის ოქსიდის კრისტალებმა გამოასხივეს ლაზერი მხოლოდ 17 ნმ ტალღის სიგრძით. ასეთი ნანოლაზერები საბოლოოდ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ქიმიკატების იდენტიფიცირებისა და კომპიუტერული დისკებისა და ფოტონური კომპიუტერების ინფორმაციის შენახვის ტევადობის გასაუმჯობესებლად.

2. ულტრაიისფერი ნანოლაზერი

მიკროლაზერების, მიკროდისკის ლაზერების, მიკრორგოლური ლაზერების და კვანტური ზვავის ლაზერების გამოგონების შემდეგ, ქიმიკოსმა იანგ პეიდონგმა და მისმა კოლეგებმა კალიფორნიის უნივერსიტეტში, ბერკლში, შექმნეს ოთახის ტემპერატურის ნანოლაზერები. ამ თუთიის ოქსიდის ნანოლაზერს შეუძლია გამოსხივოს ლაზერი 0.3 ნმ-ზე ნაკლები ხაზის სიგანით და 385 ნმ ტალღის სიგრძით სინათლის აგზნებისას, რომელიც ითვლება მსოფლიოში ყველაზე პატარა ლაზერად და ნანოტექნოლოგიის გამოყენებით წარმოებულ ერთ-ერთ პირველ პრაქტიკულ მოწყობილობად. შემუშავების საწყის ეტაპზე მკვლევარებმა იწინასწარმეტყველეს, რომ ეს ZnO ნანოლაზერი მარტივი დასამზადებელია, მაღალი სიკაშკაშე, მცირე ზომისაა და მისი მუშაობა GaN ლურჯი ლაზერების ტოლი ან უკეთესიც კია. მაღალი სიმკვრივის ნანომავთულების მასივების დამზადების უნარის გამო, ZnO ნანოლაზერებს შეუძლიათ მრავალ გამოყენებაში გამოყენება, რაც დღევანდელი GaAs მოწყობილობებით შეუძლებელია. ასეთი ლაზერების გასაზრდელად, ZnO ნანომავთული სინთეზირდება გაზის ტრანსპორტირების მეთოდით, რაც ახდენს ეპიტაქსიური კრისტალების ზრდის კატალიზებას. თავდაპირველად, საფირონის სუბსტრატი დაფარულია 1 ნმ-3.5 ნმ სისქის ოქროს აპკის ფენით, შემდეგ კი იდება ალუმინის ნავზე, მასალა და სუბსტრატი თბება 880°C-905°C-მდე ამიაკის ნაკადში Zn ორთქლის წარმოსაქმნელად, შემდეგ კი Zn ორთქლი გადაიტანება სუბსტრატზე. 2 წთ-10 წთ-იანი ზრდის პროცესში წარმოიქმნება 2μm-10μm ნანომავთულები ექვსკუთხა განივი კვეთის ფართობით. მკვლევარებმა აღმოაჩინეს, რომ ZnO ნანომავთული ქმნის ბუნებრივ ლაზერულ ღრუს 20 ნმ-დან 150 ნმ-მდე დიამეტრით და მისი დიამეტრის უმეტესი ნაწილი (95%) 70 ნმ-დან 100 ნმ-მდეა. ნანომავთულების სტიმულირებული ემისიის შესასწავლად, მკვლევარებმა ნიმუში ოპტიკურად გადატუმბეს სათბურში Nd:YAG ლაზერის მეოთხე ჰარმონიული გამომავალით (266 ნმ ტალღის სიგრძე, 3 ns იმპულსის სიგანე). ემისიის სპექტრის ევოლუციის დროს, სინათლე იცვლება ტუმბოს სიმძლავრის ზრდასთან ერთად. როდესაც ლაზერული გამოსხივება აღემატება ZnO ნანომავთულის ზღურბლს (დაახლოებით 40 კვტ/სმ), გამოსხივების სპექტრში გამოჩნდება ყველაზე მაღალი წერტილი. ამ უმაღლესი წერტილების ხაზის სიგანე 0.3 ნმ-ზე ნაკლებია, რაც 1/50-ით ნაკლებია ზღურბლის ქვემოთ გამოსხივების წვეროდან ხაზის სიგანეზე. ვიწრო ხაზის სიგანემ და გამოსხივების ინტენსივობის სწრაფმა ზრდამ მკვლევარები მიიყვანა იმ დასკვნამდე, რომ სტიმულირებული გამოსხივება მართლაც ხდება ამ ნანომავთულებში. ამრიგად, ამ ნანომავთულების მასივს შეუძლია იმოქმედოს როგორც ბუნებრივი რეზონატორი და ამგვარად გახდეს იდეალური მიკროლაზერული წყარო. მკვლევარები თვლიან, რომ ეს მოკლეტალღის სიგრძის ნანოლაზერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ოპტიკური გამოთვლების, ინფორმაციის შენახვისა და ნანოანალიზატორის სფეროებში.

3. კვანტური ჭაბურღილების ლაზერები

2010 წლამდე და მის შემდეგ, ნახევარგამტარული ჩიპზე ამოტვიფრული ხაზის სიგანე 100 ნმ-ს ან ნაკლებს მიაღწევდა და წრედში მხოლოდ რამდენიმე ელექტრონი იმოძრავებდა, ხოლო ელექტრონის ზრდა-კლება დიდ გავლენას მოახდენდა წრედის მუშაობაზე. ამ პრობლემის გადასაჭრელად, კვანტური ჭის ლაზერები დაიბადა. კვანტურ მექანიკაში, პოტენციურ ველს, რომელიც ზღუდავს ელექტრონების მოძრაობას და კვანტიზაციას უკეთებს მათ, კვანტური ჭა ეწოდება. ეს კვანტური შეზღუდვა გამოიყენება ნახევარგამტარული ლაზერის აქტიურ ფენაში კვანტური ენერგიის დონეების ფორმირებისთვის, ისე, რომ ენერგიის დონეებს შორის ელექტრონული გადასვლა დომინირებს ლაზერის აგზნებულ გამოსხივებაზე, რომელიც კვანტური ჭის ლაზერია. კვანტური ჭის ლაზერების ორი ტიპი არსებობს: კვანტური ხაზოვანი ლაზერები და კვანტური წერტილოვანი ლაზერები.

① კვანტური ხაზოვანი ლაზერი

მეცნიერებმა შეიმუშავეს კვანტური მავთულის ლაზერები, რომლებიც ტრადიციულ ლაზერებზე 1000-ჯერ უფრო ძლიერია, რითაც დიდი ნაბიჯი გადადგეს უფრო სწრაფი კომპიუტერებისა და საკომუნიკაციო მოწყობილობების შექმნისკენ. ლაზერი, რომელსაც შეუძლია აუდიოს, ვიდეოს, ინტერნეტის და ბოჭკოვანი ოპტიკური ქსელების საშუალებით კომუნიკაციის სხვა ფორმების სიჩქარის გაზრდა, შეიმუშავეს იელის უნივერსიტეტის, ნიუ ჯერსის Lucent Technologies Bell LABS-ისა და გერმანიის ქალაქ დრეზდენში, მაქს პლანკის ფიზიკის ინსტიტუტის მეცნიერებმა. ეს უფრო მაღალი სიმძლავრის ლაზერები შეამცირებს ძვირადღირებული გამეორებების საჭიროებას, რომლებიც დამონტაჟებულია საკომუნიკაციო ხაზის გასწვრივ ყოველ 80 კმ-ში (50 მილში), რაც კვლავ წარმოქმნის ნაკლებად ინტენსივობის ლაზერულ იმპულსებს ბოჭკოვან არხში გავლისას (გამეორებები).