Ласери се широко користе у комуникацијама, медицинским сликама и хирургији, потрошачкој електроници и другим пољима и дубоко су променили животи људи. Последњих година, како би се величина ласера учинила мањим, научници су развили наноласере, које не само дајући само даље промовишу минијатуризацију и интеграцију фотонски уређаја, већ и отворене нове стазе за проучавање интеракције између светлости и материја под екстремним условима. Овај чланак започиње са генерацијом светлости и води вас да у дубини истражујете свет наноласера.
У области информационе технологије, транзистори и ласери су две основне компоненте. Минијатуризација транзистора је промовисала брзи развој електронских чипова и раскола познати Моореов закон - број транзистора који се могу сместити на интегрисани круг удвостручиће се сваких 18 месеци или тако нешто. Овај тренд је гурнуо величину најнапреднијих транзистора на ниво нанометара. Тренутно се више од 10 милијарди транзистора може интегрирати у мобилни телефон и рачунарске чипове које користи јавност, дајући ове уређаје моћне могућности обраде информација и промовишући долазак дигиталне и интелигентне ере. Истовремено, минијатуризација ласера покренула је револуцију у фотоћној технологији. Након више од пола века развоја, минијатурни полуводички ласери су се широко користили у комуникацијама, складиштењу података, медицинском снимању и хирургији, сензору и мерењу, потрошачкој електроници, додавању и осветљењем и другим пољима.
Ласери за скалирање је тежи од транзистора, јер се ослањају на врло различите микроскопске честице-транзистори ослањају се на електроне, док се ласери ослони на фотоне. У видљивим и блиским бендовима, таласне дужине фотона су три наредбе величине више од таласних дужина електрона у транзисторима. Подложно ограничењу дифракције, минимална количина начина рада у коју се ови фотони могу стиснути је око девет налога величине, или милијарду пута, веће од оне електрона у транзистору. Основни изазов у грађевинама наносцале ласера је како се пробити кроз ограничење дифракције и "компримовати" волумен фотона до границе. Превладавање овог проблема неће значајно промовисати развој фотоскалне технологије, већ ће такође довести до многих нових сценарија апликације. Замислите да када се фотони, попут електрона, могу флексибилно манипулирати на скали нанометре, можемо да користимо светлост да бисмо директно посматрали фину структуру ДНК, а такође можемо да створимо велики оптоелектронски интегрисани чипс, а брзина обраде информација и ефикасност ће бити увелико побољшан.
Последњих година, кроз површинске плазмоне и јединствене механизме за локализацију на терену, јачина ласерског режима је премашила ограничење оптичке дифракције и ушао у наносцале, тако да је доносио наноласери.
1. Отворите светла врата да бисте истражили непознато
У природи се светлост генерише на два начина: спонтано зрачење и стимулисано зрачење.
Спонтано зрачење је диван процес. Чак и у потпуној тами и без икаквих спољних фотона, материја може да емитује светлост сама. То је зато што вакуум није заиста "празан". Испуњена је ситним флуктуацијама енергије, која се назива енергијом вакуум нулте тачке. Вакуумска енергија нултане тачке може изазвати узбуђену материју за ослобађање фотона. На пример, осветљење свеће производи светлост свећа. Историја људске употребе пожара може се пратити пре више од милион година. Пожар је донео светло и топлину људским предацима и отворио поглавље цивилизације. Свјетиљке за пламен и жаришта су и спонтани извори зрачења. Они гори или топлотује да би се електрони ставили у стање високог енергије, а затим пустили фотоне под акцијом вакуумске енергије нулте тачке да бисте осветлили свет.
Стимулирано зрачење открива дубљи интеракцију светлости и материје. Када спољни фотон прође кроз супстанцу у узбуђеном стању, покреће супстанцу да пусти нови фотон који је потпуно исти као инцидентски фотон. Ово "копирано" фотон чини светлосну греду високо усмерене и доследне, што је ласер који смо упознати. Иако је проналазак ласера пре мање од једног века, то је брзо интегрисано у јавни живот, доводећи се у промене који се тресе на земљи.
Проналазак ласера отворило је светла врата за човечанство да истражи непознато. Омогућава нам моћне алате и увелике промовише развој модерне цивилизације. У области информација и комуникације, ласери су омогућили велике брзине оптичке комуникације и да су омогућили глобалну повезаност. У медицинској нези, ласерској операцији карактерише висока прецизност и минимално инвазивност, пружајући пацијенте са сигурнијим и ефикаснијим методама лечења. У индустријској производњи, ласерско сечење и заваривање Побољшање ефикасности производње и прецизност производа, омогућавајући људима да створе софистицираније машине и опреми. У научним истраживањима, ласери су кључни алати за гравитационо таласно откривање и квантна информациона технологија, помажући научницима да открију мистерије универзума.
Из ласерског штампања и медицинске лепоте у свакодневном животу контролише нуклеарне фузије, ласерског радара и ласерског оружја у врхунској технологији, ласери су свуда и имају дубок утицај на развој света. Није само променило свој начин живота, већ и проширио способност људских бића да разумеју и трансформишете природу.
2 Снажни алати за разумевање и искорисност природе
Инспирисало је Планковом Законом о зрачењу, Ајнштајн је предложио концепт стимулисаног зрачења 1917. године, а ово откриће је поставило основа за проналазак ласера. 1954. Амерички научници товне и други први пут су пријавили микроталасну осцилатор који је реализован стимулисаним зрачењем, наиме микроталасним масером. Користили су узбуђене молекуле амонијака као медија и користили микроталасну резонантну шупљину дужине око 12 цм да би пружили повратне информације, реализујући микроталасна масери таласном дужином од око 12,56 цм. Микроталасна пећница се сматра претходником ласера, али ласер може произвести кохерентно зрачење на вишој фреквенцији, са предностима као што су мањи запремински, већи интензитет и веће капацитете информација.
1960. године амерички научник Маиман је изумио први ласерски. Рубин род је користио око 1 цм док је стек средњи, а два краја штапа су се односила на сребрна да делују као рефлектори за пружање оптичких повратних информација. Под ексцитацијом бљескалице, уређај је произвео ласерски излаз са таласном дужином од 694.3 нанометра. Вриједно је напоменути да је величина микроталасног мазера на истом редоследу величине као његова таласна дужина. Према овом пропорционалном односу, величина ласера треба да буде око 700 нанометара. Међутим, величина првог ласера била је много већа од овога, више од 4 наређења величине. Требало је око 30 година да смањи ласер до величине упоредиве са таласном дужином, а потребно је пола века да се пробије кроз лимит таласне дужине и реализују ласере дубоке субвавелине.
У поређењу са обичним изворима светлости, зрачење енергија микроталасних перикара и ласера концентрише се у веома ужем фреквенцијском опсегу. Стога се ова два проналаска могу сматрати локализовањем електромагнетних таласа у фреквенцијском простору кроз стимулисано зрачење. Стимулисано зрачење се такође може користити за локализацију електромагнетних таласа у времену, замах и свемирским димензијама. Локализацијом електромагнетних таласа у овим димензијама, ласерски извори светлости могу постићи изузетно стабилне фреквенцијске осцилације, ултра-кратке импулсе, високог свјетца и изузетно малог начина рада, што нам омогућава да прецизно меримо време, посматрамо брзо покрет, посматрајући брзо покретање, преносећи информације и енергију, преносећи информације и енергију , Постигнете минијатуризацију уређаја и прибавите већу резолуцију слике.
Од појаве ласера, људи непрестано истражују јачу локализацију светлосних поља у димензијама као што су фреквенција, време, време, замах и простор, промовисање брзог развоја ласерског истраживања и ласерских уређаја и ласерских уређаја, чинећи ласере снажно средство за разумевање и коришћење природе .
У димензији фреквенције, кроз висококвалитетну шупљину, контролу повратних информација и изолације животне средине, ласери могу да одржавају изузетно стабилне фреквенције, промовишући пробој у многим главним научним истраживањима, као што су Босе-Аинстеин Цонденса (2001. Нобелово награду у физици), прецизна ласерска спектроскопија ( 2005. Нобелова награда у физици) и детекцији гравитационог таласа (2017 Нобелова награда у физици).
У временској димензији, технологија закључавања режима и технологија хармонике хармонике хармонике чине ултрасхорт ласерским импулсима стварност. Кроз екстремне временске рокове, атосеКонд ласери могу произвести светлосних импулса који трају само о једном оптичком циклусу. Овај пробој омогућава поштовање ултрафастних процеса као што је кретање електрона у унутрашњем слоју атома и освојио је Нобелову награду у физици 2023.
У замаху, димензија развоја слободних ласерских ласера великог подручја постигла је висок степен локализације светлосног поља у замаху, чинећи ласерски сноп високо усмерен. Очекује се да ће резултирајући високо колони ласер промовисати развој међуздрављених међузвезданих комуникација велике брзине велике брзине.
У просторној димензији увођење површинских плазмона и механизми за локализацију лигхт лигхт лигхт-а омогућава обим ласерских начина да се пробије кроз оптичку дифракцију граница и достигне скалирање мање од (Λ / 2Н) 3 (где је таласна дужина слободног простора) и н је рефракциони индекс материјала), на тај начин роди наноласери. Појава наноласера има далекосежан значај за иновативну информациону технологију и проучавање интеракције између светлости и материје под екстремним условима.
3. Разбијање оптичке дифракционе границе
Више од 30 година након проналаска ласера, са унапређењем технологије микро обраде и дубље разумевање ласерског истраживања и ласерских уређаја, разне врсте микро-полуводичких ласера развијене су један за другим, укључујући ласере микро-диска , фотонски кристални оштећени ласери и ласери нановире. 1992. године, Белл Лабораториес у Сједињеним Државама успешно су реализовали први ласер микро диска, користећи режим шапутања галерије на микро-диску како би се омогућило да се светло више пута размисли на микро-диску, генерише резонантне повратне информације и постигнуте резонантне повратне информације и постигнуте удела. 1999. године, Калифорнијски институт за технологију у Сједињеним Државама реализовао је први ласер фотонионски кристално оштећење преношења тачке у дводимензионалним фотонским кристалима да би се ограничило светло. 2001. године, Универзитет у Калифорнији, Беркелеи, успешно је први пут успешно реализовао полуводиче нановире ласери користећи крајње лице нановире као рефлектора. Ови ласери смањују величину карактеристике на редослед једне вакуум таласне дужине, али због ограничења оптичког ограничења дифракције, ови ласери засновани на диелектричним резонаторима тешко се смањи.
У геометрији, дужина десне нагњене стране десног троугла је мања од дужине хипотенусе. На микроскопској скали, да се разбије ограничење дифракције, дужина две десне стране бочне стране треба да буде већа од хипотенусе. У 2009. години три тима на свету прво реализовала плазмонични наноласери који су се провалили кроз оптичку границу дифракције. Међу њима, тим Универзитета у Калифорнији, Беркелеи и Пекинг Универзитета реализовао је плазмонични наноласер заснован на једнодимензионалном полуводичу нановире-изолаторско-металне структуре; Екита Еиндховен Универзитета у Холандији и Државном универзитету Аризона у Сједињеним Државама развила је плазмонични наноласер на бази металне полу-полу-полу-слојном конструкцијом равне плоче; Тим Државног универзитета Норфолк и Универзитет на Пурдуе у Сједињеним Државама показао је структуру језгре плазмоничног наноласера заснованог на металној основној добитним гранатама, на основу локализоване површинске резервне резонанције на површини.
Другим речима, увођењем имагинарних јединица у једначини дисперзије, научници су заправо изградили посебан троугао са десном углом под углом под углом дуже од хипотенусе. То је овај посебан троугао који нам омогућава физички да постигнемо јачу локализацију лагане теренске поља.
Након више од 10 година развоја, плазмон наноласери су показали одличне карактеристике као што су изузетно мали волумен начина рада, ултрафастна брзина модулације и мала потрошња енергије. Међутим, у поређењу са диелектричним материјалима, иако плазмон ефекат паури светлосно поље са колективним осцилацијама слободних електрона у металима да би се постигао јачи лагани теренски терен, ова спојница такође уводи својствене охмовичке губитке, што доводи до стварања електричне енергије, што је заузврат потрошња и ограничава време кохеренције.
У 2024. години, тим Пекинг Университи Тим је предложио нову једначину дисперзије сингуларности, откривајући дисперзијске карактеристике алл-диелектричне лук-кравате наноантенне. Уграђивањем наноантенне Бов-Веитеа у угаони нанокарност структуру коју је предложио универзитетског тима Пекинг, јединственост диелектрични наноласер који пробија оптичко ограничење дифракције први пут је реализован у диелектричном систему по први пут. Овај структурални дизајн омогућава да се светлосно поље компримоше до крајности, а теоретски може достићи бесконачно малу волумен начина рада, што је много мањи од оптичке дифракционе границе. Поред тога, софистицирана структура угла нанокалити додатно повећава капацитет складиштења светлосног поља, дајући јединственост наноласера ултра-висококвалитетно фактор квалитета и његов фактор квалитета кочија (тј. Однос енергије сачуване у оптичкој шупљини) до енергије изгубљене по циклусу) може прећи 1 милион.
Тема Универзитета Пекинг је даље развила технологију фазнуте фреквенције фреквенције заснована на наноласерима. Успешно су демонстрирали снажни потенцијал распоређене кохерентне технологије која је учвршћивача прецизно контролисањем таласне дужине и фазе сваког наноласера у ласерском низу. For example, the team used this technology to achieve optical frequency array coherent lasing in patterns such as "P", "K", "U", "China" and "China", demonstrating its broad application prospects in the fields of integrated photonics , Мицро-Нано Светлосни апарат и оптичка комуникација. (Аутор: Ма Ренмин, професор школе физике, Пекинг Университи)
