Lazè yo lajman itilize nan kominikasyon, D 'medikal ak operasyon, konsomatè elektwonik ak lòt jaden, epi yo gen pwofondman chanje lavi moun. Nan dènye ane yo, yo nan lòd yo fè gwosè a nan lazer ki pi piti, syantis yo te devlope nanolasers, ki pa sèlman plis ankouraje miniaturization la ak entegrasyon nan aparèy fotonik, men tou, louvri moute nouvo chemen pou etidye entèraksyon ki genyen ant limyè ak matyè anba kondisyon ekstrèm. Atik sa a kòmanse ak jenerasyon an nan limyè ak pran ou yo eksplore mond lan nan nanolasers nan pwofondè.
Nan jaden an nan teknoloji enfòmasyon, tranzistò ak lazer yo se de eleman debaz. Miniaturizasyon nan tranzistò te ankouraje devlopman rapid nan bato elektwonik ak anjandre lwa Moore byen li te ye a - nimewo a nan tranzistò ki ka akomode sou yon sikwi entegre ap double chak 18 mwa oswa konsa. Te tandans sa a pouse gwosè a nan tranzistò yo ki pi avanse nan nivo a nanomèt. Kounye a, plis pase 10 milya dola tranzistò ka entegre nan telefòn mobil lan ak bato òdinatè itilize pa piblik la, bay aparèy sa yo pwisan kapasite pwosesis enfòmasyon ak pwomosyon rive nan epòk la dijital ak entèlijan. An menm tan an, te miniaturization nan lazer deklanche yon revolisyon nan teknoloji fotonik. Apre plis pase mwatye yon syèk nan devlopman, lazer semi -conducteurs Miniature yo te lajman itilize nan kominikasyon, depo done, D 'medikal ak operasyon, kèk ak mezi, konsomatè elektwonik, manifakti aditif, ekspozisyon ak ekleraj ak lòt jaden.
Lazè dekale se pi difisil pase tranzistò paske yo konte sou trè diferan patikil mikwoskopik-tranzistò konte sou elektwon, pandan y ap lazer konte sou foton. Nan bann vizib ak tou pre-enfrawouj yo, foton longèdonn yo se twa lòd nan grandè pi wo pase longèdonn yo nan elektwon nan tranzistò. Sijè a limit la difraksyon, volim nan mòd minimòm nan ki foton sa yo ka prese se sou nèf lòd nan grandè, oswa yon milya dola fwa, pi gwo pase sa yo ki an elektwon nan yon tranzistò. Defi debaz la nan bilding lazer nanoskal se ki jan yo kraze nan limit la difraksyon ak "konpresyon" volim nan foton nan limit la. Simonte pwoblèm sa a pa pral sèlman siyifikativman ankouraje devlopman nan teknoloji fotonik, men yo pral tou bay monte nan anpil nouvo senaryo aplikasyon an. Imajine ke lè foton, tankou elektwon, yo ka fleksiblman manipile nan echèl la nanomètr, nou ka itilize limyè a dirèkteman obsève estrikti a amann nan ADN, epi nou ka tou kreye gwo-echèl optoelectronic bato entegre, ak vitès la pwosesis enfòmasyon ak efikasite pral dwe anpil amelyore.
Nan dènye ane yo, atravè plasmons sifas ak sengilye pwen mekanism lokalizasyon limyè jaden, volim nan mòd lazè depase limit la difraksyon optik ak antre nan nanoskal la, konsa bay monte nan nanolasers.
1. Louvri pòt la klere yo eksplore enkoni an
Nan lanati, limyè a pwodwi nan de fason: radyasyon espontane ak radyasyon ankouraje.
Radyasyon espontane se yon pwosesis bèl bagay. Menm nan fènwa konplè ak san okenn foton ekstèn, matyè ka emèt limyè sou pwòp li yo. Sa a se paske vakyòm lan se pa vrèman "vid". Li se plen ak fluctuations enèji ti, yo rele vakyòm zewo-pwen enèji. Vakyòm enèji zewo-pwen ka lakòz zafè eksite yo lage foton. Pou egzanp, ekleraj yon chandèl pwodui chandèl limyè. Ka istwa a nan itilizasyon imen nan dife ka remonte tounen nan plis pase 1 milyon ane de sa. Ponpye te pote limyè ak chalè bay zansèt moun yo epi li te louvri chapit sivilizasyon an. Flanm dife ak lanp enkandesan yo tou de se sous radyasyon espontane. Yo boule oswa chalè yo mete elektwon nan yon eta wo-enèji, ak Lè sa a, lage foton anba aksyon an nan vakyòm zewo-pwen enèji eklere mond lan.
Radyasyon ankouraje revele yon entèraksyon pi fon ant limyè ak matyè. Lè yon foton ekstèn pase nan yon sibstans ki sou nan yon eta eksite, li deklannche sibstans ki sou la lage yon fotonik nouvo ki se egzakteman menm jan ak foton an ensidan. Sa a "kopye" foton fè gwo bout bwa a limyè trè direksyon ak konsistan, ki se lazè a nou yo abitye avèk yo. Malgre ke envansyon nan lazè a se mwens pase yon syèk de sa, li te byen vit te entegre nan lavi piblik, pote sou tè-souke chanjman.
Envansyon nan lazè a te louvri yon pòt klere pou limanite yo eksplore enkoni an. Li bay nou ak zouti pwisan ak anpil fè pwomosyon devlopman nan sivilizasyon modèn. Nan domèn enfòmasyon ak kominikasyon, lazer yo te fè gwo vitès kominikasyon fibre-optik yon reyalite e te fè interconnexion mondyal posib. Nan swen medikal, se operasyon lazè karakterize pa presizyon segondè, epi envazyon minim, bay pasyan ki gen pi an sekirite ak metòd tretman pi efikas. Nan manifakti endistriyèl, koupe lazè ak soude amelyore efikasite pwodiksyon ak presizyon pwodwi, sa ki pèmèt moun yo kreye machin plis sofistike ak ekipman. Nan rechèch syantifik, lazer yo se zouti kle pou deteksyon vag gravitasyonèl ak teknoloji enfòmasyon pwopòsyonèl, ede syantis dekouvwi mistè yo nan linivè la.
Soti nan enprime lazè ak bote medikal nan lavi chak jou nan fizyon nikleyè kontwole, rada lazè ak zam lazè nan teknoloji dènye kri, lazer yo toupatou epi yo gen yon enpak byen panse sou devlopman nan mond lan. Li pa sèlman chanje fason nou nan lavi, men tou, elaji kapasite a nan èt imen yo konprann ak transfòme lanati.
2. Zouti pwisan yo konprann ak ekipay lanati
Enspire pa lwa radyasyon Blackbody Planck a, Einstein pwopoze konsèp nan radyasyon ankouraje nan 1917, ak dekouvèt sa a mete fondasyon an pou envansyon nan lazer. Nan 1954, syantis Ameriken Townes ak lòt moun premye rapòte yon osilator mikwo ond reyalize pa radyasyon ankouraje, sètadi yon maser mikwo ond. Yo te itilize molekil amonyak eksite kòm genyen medya ak itilize yon kavite mikwo ond sonan sou 12 cm lontan yo bay fidbak, reyalize masers mikwo ond ak yon longèdonn nan sou 12.56 cm. Se maser la mikwo ond konsidere kòm predesesè a nan lazè a, men lazè a ka pwodwi radyasyon aderan nan yon frekans ki pi wo, ak avantaj tankou pi piti volim, pi wo entansite, ak pi wo enfòmasyon pote kapasite.
Nan lane 1960, Ameriken syantis Maiman envante lazè an premye. Li te itilize yon baton Ruby sou 1 cm lontan kòm mwayen an jwenn, ak de bout yo nan baton an te ajan-plake yo aji kòm reflektè yo bay fidbak optik. Anba eksitasyon an nan yon lanp flash, aparèy la pwodwi yon pwodiksyon lazè ak yon longèdonn nan 694.3 nanomètr. Li se vo anyen ki gwosè a nan maser la mikwo ond se sou lòd la menm nan grandè kòm longèdonn li yo. Selon relasyon pwopòsyonèl sa a, gwosè la nan lazè a ta dwe sou 700 nanomètr. Sepandan, gwosè a nan lazè nan premye te pi gwo pase sa a, pa plis pase 4 lòd nan grandè. Li te pran apeprè 30 ane retresi lazè a nan yon gwosè ki konparab ak longèdonn lan, epi li te pran mwatye yon syèk yo kraze nan limit la longèdonn ak reyalize lazer subwavelength gwo twou san fon.
Konpare ak sous limyè òdinè, enèji nan radyasyon nan masers mikwo ond ak lazer konsantre nan yon seri frekans trè etwat. Se poutèt sa, de envansyon sa yo ka konsidere kòm lokalize onn elektwomayetik nan espas frekans nan radyasyon ankouraje. Radyasyon stimulé kapab tou itilize pou lokalize onn elektwomayetik nan tan, momantòm ak dimansyon espas. Pa lokalize onn elektwomayetik nan dimansyon sa yo, sous limyè lazè ka reyalize osilasyon frekans trè estab, pulsasyon ultra-kout, gwo direksyon ak volim mòd piti anpil, ki pèmèt nou mezire avèk presizyon tan, obsève mouvman vit, transmèt enfòmasyon ak enèji sou distans ki long long , reyalize miniaturizasyon aparèy, ak jwenn pi wo rezolisyon D '.
Depi avènement de lazer, moun yo te toujou ap pouswiv pi fò lokalizasyon nan jaden limyè nan dimansyon tankou frekans, tan, momantòm ak espas, pwomosyon devlopman rapid nan rechèch lazè lazè ak aparèy lazè, fè lazer yon zouti pwisan pou konprann ak itilize nati .
Nan dimansyon frekans lan, atravè kavite-wo kalite, kontwòl fidbak ak izolasyon anviwònman an, lazer ka kenbe frekans trè ki estab, fè pwomosyon avans nan anpil rechèch syantifik pi gwo, tankou Bose-Einstein kondansasyon (2001 Nobel Prize nan fizik), Precision lazè spèktroskopi ( 2005 Nobel Prize nan Fizik) ak Deteksyon Vag gravitasyonèl (2017 Nobel Prize nan Fizik).
Nan dimansyon tan an, teknoloji bloke mòd ak teknoloji segondè-lòd jenerasyon Harmony fè lazè ultrashort pulsasyon yon reyalite. Atravè lokalizasyon tan ekstrèm, lazer atosekond ka pwodwi pulsasyon limyè ki dire sèlman sou yon sèl sik optik. Zouti sa a fè li posib pou obsève pwosesis ultra tankou mouvman elektwon yo nan kouch enteryè atòm yo, e te genyen 2023 pri Nobèl nan fizik.
Nan dimansyon nan momantòm, devlopman nan gwo-zòn lazer sèl-mòd te reyalize yon wo degre de lokalizasyon nan jaden an limyè nan espas momantòm, fè gwo bout bwa a lazè trè direksyon. Se lazè a ki kapab lakòz trè collimated espere ankouraje devlopman nan ultra-long-distans entèstelè gwo vitès kominikasyon optik.
Nan dimansyon espasyal la, entwodiksyon plasmons sifas yo ak mekanism lokalizasyon limyè singularity jaden pèmèt volim nan mòd lazè kraze nan limit la difraksyon optik ak rive nan yon echèl mwens pase (λ/2n) 3 (kote λ se longèdonn nan limyè espas gratis ak N se endèks la refraktif nan materyèl la), konsa bay nesans rive nan nanolasers. Aparisyon nan nanolasers gen siyifikasyon byen lwen pou inovasyon teknoloji enfòmasyon ak etidye entèraksyon ki genyen ant limyè ak matyè nan kondisyon ekstrèm.
3. Breaking limit la difraksyon optik
Plis pase 30 ane apre envansyon nan lazè a, ak avansman nan teknoloji mikwo-machin ak yon konpreyansyon pi fon nan rechèch lazè fizik ak aparèy lazè, divès kalite lazè mikwo-semi-kondiktè yo te devlope youn apre lòt, ki gen ladan mikwo-ki gen kapasite lazer ki gen kapasite. , fotonik kristal lazer domaj ak lazè nanowire. An 1992, Bell Laboratwa nan Etazini yo avèk siksè reyalize premye lazè a mikwo-ki gen kapasite, lè l sèvi avèk mòd nan Galeri Whispering nan mikwo-ki gen kapasite yo ki pèmèt limyè a repete reflete nan mikwo-ki gen kapasite a, jenere fidbak rezonans ak reyalize lasing. An 1999, Enstiti Teknoloji Kalifòni an nan Etazini yo reyalize premye fotonik lazè defo kristal la pa entwodwi domaj pwen nan ki genyen de dimansyon kristal fotonik oblije limyè. Nan lane 2001, University of California, Berkeley, avèk siksè reyalize semi -conducteurs nanowire lazè la pou premye fwa lè l sèvi avèk figi a fen nan yon nanowire kòm yon reflektè. Sa yo lazer diminye gwosè a karakteristik nan lòd la nan yon sèl longèdonn vakyòm, men akòz limit yo nan limit la diffraction optik, lazer sa yo ki baze sou rezonatè dielèktrik yo difisil plis retresi.
Nan jeyometri, longè a nan bò dwat-ang nan yon triyang dwat se mwens pase longè a nan ipoteniz la. Sou yon echèl mikwoskopik, pou kraze limit difraksyon an, longè de bò dwat-ang yo bezwen pi gran pase ipoteniz la. An 2009, twa ekip nan mond lan premye reyalize nanolasers plasmonic ki te kraze nan limit la difraksyon optik. Pami yo, ekip la nan Inivèsite nan Kalifòni, Berkeley ak Peking University reyalize yon nanolaser plasmonic ki baze sou yon yon sèl-dimansyon semi-conducteurs nanwire-insulator-metal estrikti; Ekip Inivèsite Teknoloji Eindhoven nan Inivèsite Eta Netherlands ak Arizona nan Etazini te devlope yon nanolaser plasmonik ki baze sou yon estrikti plak plat metal-metal-metal-metal; Ekip Norfolk State University ak Inivèsite Purdue nan Etazini yo te demontre yon estrikti nwayo-koki nanolaser plasmonic ki baze sou yon metal nwayo-entegre genyen koki mwayen ki baze sou lokalize sifas plasmon sonorite.
Nan lòt mo, pa entwodwi inite imajinè nan ekwasyon an dispèsyon, syantis aktyèlman konstwi yon triyang espesyal ak yon bò dwat-ang pi long pase ipoteniz la. Li se sa a triyang espesyal ki pèmèt nou fizikman reyalize pi fò lokalizasyon jaden limyè.
Apre plis pase 10 ane nan devlopman, nanolasers plasmon yo te demontre karakteristik ekselan tankou volim mòd trè ti, ultrafast vitès batman ak konsomasyon enèji ki ba. Sepandan, konpare ak materyèl dyelèktrik, byenke efè plasmon yo marye jaden an limyè ak osilasyon kolektif la nan elektwon gratis nan metal yo reyalize pi fò lokalizasyon jaden limyè, sa a kouti tou entwodui pèt nannan ohmic, ki mennen ale nan jenerasyon chalè, ki nan vire pouvwa aparèy konsomasyon ak limite tan koerans li yo.
Nan 2024, ekip Inivèsite Peking te pwopoze yon nouvo ekwasyon dispèsyon singularity, revele karakteristik dispèsyon nan nanoantenna banza tout-dielectric. Pa entegre nanoantenna a banza-mare nan estrikti nan nanocavity kwen ki te pwopoze pa ekip la Peking Inivèsite, yon singularité nanolaser dielèktrik ki kraze limit la difraksyon optik te reyalize nan yon sistèm dielèktrik la pou premye fwa. Sa a konsepsyon estriktirèl pèmèt jaden an limyè yo dwe konprese nan ekstrèm la, ak teyorikman ka rive jwenn yon volim mòd enfiniman ti, ki se pi piti anpil pase limit la difraksyon optik. Anplis de sa, estrikti a sofistike nan nanocavity nan kwen plis amelyore kapasite nan depo nan jaden an limyè, bay nanolaser la singularité yon faktè ultra-segondè bon jan kalite, ak faktè optik kavite li yo (sètadi, rapò a nan enèji a ki estoke nan kavite a optik nan enèji ki pèdi pou chak sik) ka depase 1 milyon dola.
Ekip Inivèsite Peking la te devlope frekans optik teknoloji etalaj ki baze sou nanolasers. Yo te demontre avèk siksè potansyèl pwisan nan teknoloji ki gen rapò ak aderan pa jisteman kontwole longèdonn la ak faz nan chak nanolaser nan etalaj la lazè. Pou egzanp, ekip la itilize teknoloji sa a reyalize optik frekans etalaj aderan lasing nan modèl tankou "p", "k", "u", "Lachin" ak "Lachin", demontre kandida aplikasyon laj li yo nan jaden yo nan fotonik entegre , mikwo-nano ranje sous limyè ak kominikasyon optik. (Otè: Ma Renmin, Pwofesè nan Lekòl la nan Fizik, Peking University)
