Defnyddir laserau yn helaeth mewn cyfathrebu, delweddu meddygol a llawfeddygaeth, electroneg defnyddwyr a meysydd eraill, ac maent wedi newid bywydau pobl yn ddwys. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, er mwyn gwneud maint laserau yn llai, mae gwyddonwyr wedi datblygu nanolasers, sydd nid yn unig yn hyrwyddo miniaturization ac integreiddio dyfeisiau ffotonig ymhellach, ond hefyd yn agor llwybrau newydd ar gyfer astudio'r rhyngweithio rhwng golau a mater o dan amodau eithafol. Mae'r erthygl hon yn dechrau gyda'r genhedlaeth o olau ac yn mynd â chi i archwilio byd nanolasers yn fanwl.
Ym maes technoleg gwybodaeth, mae transistorau a laserau yn ddwy gydran graidd. Mae miniaturization transistorau wedi hyrwyddo datblygiad cyflym sglodion electronig ac wedi silio cyfraith adnabyddus Moore - bydd nifer y transistorau y gellir eu lletya ar gylched integredig yn dyblu bob rhyw 18 mis. Mae'r duedd hon wedi gwthio maint y transistorau mwyaf datblygedig i lefel y nanomedr. Ar hyn o bryd, gellir integreiddio mwy na 10 biliwn o transistorau i'r ffôn symudol a sglodion cyfrifiadurol a ddefnyddir gan y cyhoedd, gan roi galluoedd prosesu gwybodaeth pwerus i'r dyfeisiau hyn a hyrwyddo dyfodiad yr oes ddigidol a deallus. Ar yr un pryd, mae miniaturization laserau wedi sbarduno chwyldro mewn technoleg ffotonig. Ar ôl mwy na hanner canrif o ddatblygiad, defnyddiwyd laserau lled -ddargludyddion bach yn helaeth mewn cyfathrebu, storio data, delweddu meddygol a llawfeddygaeth, synhwyro a mesur, electroneg defnyddwyr, gweithgynhyrchu ychwanegion, arddangos a goleuo a meysydd eraill.
Mae laserau graddio yn anoddach na transistorau oherwydd eu bod yn dibynnu ar dransistorau gronynnau microsgopig gwahanol iawn yn dibynnu ar electronau, tra bod laserau'n dibynnu ar ffotonau. Yn y bandiau gweladwy a bron-is-goch, mae tonfeddi ffoton yn dri gorchymyn maint yn uwch na thonfeddi electronau mewn transistorau. Yn ddarostyngedig i'r terfyn diffreithiant, mae'r cyfaint modd lleiaf y gellir gwasgu'r ffotonau hyn iddo oddeutu naw gorchymyn maint, neu biliwn o weithiau, yn fwy nag electronau mewn transistor. Yr her graidd wrth adeiladu laserau nanoscale yw sut i dorri trwy'r terfyn diffreithiant a "chywasgu" cyfaint y ffotonau i'r eithaf. Bydd goresgyn y broblem hon nid yn unig yn hyrwyddo datblygiad technoleg ffotonig yn sylweddol, ond bydd hefyd yn arwain at lawer o senarios cais newydd. Dychmygwch pan fydd ffotonau, fel electronau, yn gallu cael eu trin yn hyblyg ar raddfa nanomedr, gallwn ddefnyddio golau i arsylwi strwythur mân DNA yn uniongyrchol, a gallwn hefyd greu sglodion integredig optoelectroneg ar raddfa fawr, a bydd y cyflymder ac effeithlonrwydd prosesu gwybodaeth cael ei wella'n fawr.
Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, trwy plasmonau wyneb a mecanweithiau lleoleiddio maes golau pwynt unigol, mae cyfaint y modd laser wedi rhagori ar y terfyn diffreithiant optegol ac wedi mynd i mewn i'r nanoscale, gan arwain at nanolasers.
1. Agorwch y drws llachar i archwilio'r anhysbys
O ran natur, cynhyrchir golau mewn dwy ffordd: ymbelydredd digymell ac ymbelydredd wedi'i ysgogi.
Mae ymbelydredd digymell yn broses fendigedig. Hyd yn oed mewn tywyllwch llwyr a heb unrhyw ffotonau allanol, gall mater allyrru golau ar ei ben ei hun. Mae hyn oherwydd nad yw'r gwactod yn wirioneddol "wag". Mae'n cael ei lenwi ag amrywiadau egni bach, o'r enw egni pwynt sero gwactod. Gall egni pwynt sero gwactod achosi mater cyffrous i ryddhau ffotonau. Er enghraifft, mae goleuo cannwyll yn cynhyrchu golau cannwyll. Gellir olrhain hanes defnydd dynol o dân yn ôl i fwy nag 1 filiwn o flynyddoedd yn ôl. Daeth tân â golau a chynhesrwydd i hynafiaid dynol ac agor pennod gwareiddiad. Mae fflamau a lampau gwynias ill dau yn ffynonellau ymbelydredd digymell. Maent yn llosgi neu'n cynhesu i roi electronau mewn cyflwr ynni uchel, ac yna'n rhyddhau ffotonau o dan weithred egni pwynt sero gwactod i oleuo'r byd.
Mae ymbelydredd wedi'i ysgogi yn datgelu rhyngweithio dyfnach rhwng golau a mater. Pan fydd ffoton allanol yn mynd trwy sylwedd mewn cyflwr cynhyrfus, mae'n sbarduno'r sylwedd i ryddhau ffoton newydd sydd yn union yr un fath â'r ffoton digwyddiad. Mae'r ffoton "copïo" hwn yn gwneud y trawst ysgafn yn gyfeiriadol ac yn gyson iawn, sef y laser rydyn ni'n gyfarwydd ag ef. Er bod dyfeisio'r laser lai na chanrif yn ôl, mae wedi'i integreiddio'n gyflym i fywyd cyhoeddus, gan sicrhau newidiadau ysgwyd y ddaear.
Mae dyfeisio'r laser wedi agor drws disglair i ddynolryw archwilio'r anhysbys. Mae'n darparu offer pwerus inni ac yn hyrwyddo datblygiad gwareiddiad modern yn fawr. Ym maes gwybodaeth a chyfathrebu, mae laserau wedi gwneud cyfathrebiadau ffibr-optig cyflym yn realiti ac wedi gwneud rhyng-gysylltiad byd-eang yn bosibl. Mewn gofal meddygol, nodweddir llawfeddygaeth laser gan gywirdeb uchel a lleiaf ymledol, gan ddarparu dulliau triniaeth mwy diogel a mwy effeithiol i gleifion. Mewn gweithgynhyrchu diwydiannol, mae torri laser a weldio yn gwella effeithlonrwydd cynhyrchu a manwl gywirdeb cynnyrch, gan ganiatáu i bobl greu peiriannau ac offer mwy soffistigedig. Mewn ymchwil wyddonol, mae laserau'n offer allweddol ar gyfer canfod tonnau disgyrchiant a thechnoleg gwybodaeth cwantwm, gan helpu gwyddonwyr i ddatgelu dirgelion y bydysawd.
O argraffu laser a harddwch meddygol ym mywyd beunyddiol i ymasiad niwclear rheoledig, radar laser ac arfau laser mewn technoleg flaengar, mae laserau ym mhobman ac yn cael effaith ddwys ar ddatblygiad y byd. Mae nid yn unig wedi newid ein ffordd o fyw, ond hefyd wedi ehangu gallu bodau dynol i ddeall a thrawsnewid natur.
2. Offer pwerus i ddeall a harneisio natur
Wedi'i ysbrydoli gan gyfraith ymbelydredd Blackbody Planck, cynigiodd Einstein y cysyniad o ymbelydredd wedi'i ysgogi ym 1917, a gosododd y darganfyddiad hwn y sylfaen ar gyfer dyfeisio laserau. Ym 1954, nododd gwyddonwyr Americanaidd Townes ac eraill yn gyntaf oscillator microdon a wireddwyd gan ymbelydredd wedi'i ysgogi, sef maser microdon. Fe wnaethant ddefnyddio moleciwlau amonia llawn cyffro fel cyfryngau ennill a defnyddio ceudod soniarus microdon tua 12 cm o hyd i roi adborth, gan wireddu tonfedd o tua 12.56 cm i feistri microdon. Mae'r maser microdon yn cael ei ystyried fel rhagflaenydd y laser, ond gall y laser gynhyrchu ymbelydredd cydlynol ar amledd uwch, gyda manteision fel cyfaint llai, dwyster uwch, a gallu cario gwybodaeth uwch.
Ym 1960, dyfeisiodd y gwyddonydd Americanaidd Maiman y laser cyntaf. Defnyddiodd wialen ruby tua 1 cm o hyd fel y cyfrwng ennill, ac roedd dau ben y wialen yn arian-plated i weithredu fel adlewyrchyddion i ddarparu adborth optegol. O dan gyffro lamp fflach, cynhyrchodd y ddyfais allbwn laser gyda thonfedd o 694.3 nanometr. Mae'n werth nodi bod maint y maser microdon ar yr un drefn maint â'i donfedd. Yn ôl y berthynas gyfrannol hon, dylai maint y laser fod tua 700 nanometr. Fodd bynnag, roedd maint y laser cyntaf yn llawer mwy na hyn, gan fwy na 4 gorchymyn maint. Cymerodd tua 30 mlynedd i grebachu'r laser i faint sy'n debyg i'r donfedd, a chymerodd hanner canrif i dorri trwy'r terfyn tonfedd a gwireddu laserau is -donfedd dwfn.
O'i gymharu â ffynonellau golau cyffredin, mae egni ymbelydredd meistri microdon a laserau wedi'i ganoli mewn ystod amledd cul iawn. Felly, gellir ystyried bod y ddau ddyfais hon yn lleoleiddio tonnau electromagnetig mewn gofod amledd trwy ymbelydredd ysgogol. Gellir defnyddio ymbelydredd wedi'i ysgogi hefyd i leoleiddio tonnau electromagnetig mewn amser, momentwm a dimensiynau gofod. Trwy leoleiddio tonnau electromagnetig yn y dimensiynau hyn, gall ffynonellau golau laser gyflawni osgiliadau amledd hynod sefydlog, corbys uwch-fyr, cyfeiriadedd uchel a chyfeintiau modd bach iawn, sy'n ein galluogi i fesur amser yn gywir, arsylwi symudiad cyflym, trosglwyddo gwybodaeth ac egni dros bellteroedd hir , cyflawni miniaturization dyfeisiau, a chael datrysiad delweddu uwch.
Ers dyfodiad laserau, mae pobl wedi bod yn dilyn lleoleiddio caeau ysgafn yn gyson mewn dimensiynau fel amlder, amser, momentwm a gofod, gan hyrwyddo datblygiad cyflym ymchwil ffiseg laser a dyfeisiau laser, gan wneud laserau'n offeryn pwerus ar gyfer deall a defnyddio natur .
Yn y dimensiwn amledd, trwy geudod o ansawdd uchel, rheoli adborth ac arwahanrwydd amgylcheddol, gall laserau gynnal amleddau hynod sefydlog, gan hyrwyddo datblygiadau arloesol mewn llawer o ymchwil wyddonol fawr, megis cyddwysiad Bose-Einstein (Gwobr Nobel 2001 mewn Ffiseg), sbectrosgopeg laser manwl gywirdeb (sbectrosgopeg laser manwl gywirdeb (Sbectroscopeg laser manwl gywirdeb (Sbectroscopeg Laser Precision (Sbectrosgopeg Laser Precision ( Gwobr Nobel 2005 mewn Ffiseg) a chanfod tonnau disgyrchiant (Gwobr Nobel 2017 mewn Ffiseg).
Yn y dimensiwn amser, mae technoleg cloi modd a thechnoleg cynhyrchu harmonig trefn uchel yn gwneud corbys laser ultrashort yn realiti. Trwy leoleiddio amser eithafol, gall laserau Attosecond gynhyrchu corbys ysgafn sy'n para tua un cylch optegol yn unig. Mae'r datblygiad arloesol hwn yn ei gwneud hi'n bosibl arsylwi prosesau ultrafast megis symud electronau yn haen fewnol yr atomau, ac ennill Gwobr Nobel 2023 mewn ffiseg.
Yn y dimensiwn momentwm, mae datblygiad laserau un modd ardal fawr wedi cyflawni lefel uchel o leoleiddio'r cae ysgafn mewn gofod momentwm, gan wneud y pelydr laser yn gyfeiriadol iawn. Disgwylir i'r laser collimated iawn sy'n deillio o hyn hyrwyddo datblygiad cyfathrebiadau optegol cyflym rhyngserol pellter hir-hir.
Yn y dimensiwn gofodol, mae cyflwyno plasmon arwyneb a mecanweithiau lleoleiddio maes golau unigolrwydd yn caniatáu i gyfaint y modd laser dorri trwy'r terfyn diffreithiant optegol a chyrraedd graddfa sy'n llai na (λ/2n) 3 (lle λ yw tonfedd y golau gofod rhydd ac n yw mynegai plygiannol y deunydd), gan roi genedigaeth i nanolasers. Mae gan ymddangosiad nanolasers arwyddocâd pellgyrhaeddol ar gyfer arloesi technoleg gwybodaeth ac astudio'r rhyngweithio rhwng golau a mater o dan amodau eithafol.
3. Torri'r terfyn diffreithiant optegol
Fwy na 30 mlynedd ar ôl dyfeisio'r laser, gyda hyrwyddo technoleg micro-beiriannu a dealltwriaeth ddyfnach o ymchwil ffiseg laser a dyfeisiau laser, mae gwahanol fathau o laserau micro-semiconductor wedi'u datblygu un ar ôl y llall, gan gynnwys laserau micro-ddisg , laserau nam grisial ffotonig a laserau nanowire. Yn 1992, sylweddolodd Bell Laboratories yn yr Unol Daleithiau y laser micro-ddisg gyntaf yn llwyddiannus, gan ddefnyddio'r modd oriel sibrwd yn y micro-ddisg i ganiatáu i olau adlewyrchu dro ar ôl tro yn y micro-ddisg, cynhyrchu adborth soniarus a chyflawni lasing. Ym 1999, sylweddolodd Sefydliad Technoleg California yn yr Unol Daleithiau y laser nam grisial ffotonig cyntaf trwy gyflwyno diffygion pwynt mewn crisialau ffotonig dau ddimensiwn i gyfyngu ar olau. Yn 2001, llwyddodd Prifysgol California, Berkeley, i wireddu laserau lled -ddargludyddion Nanowire am y tro cyntaf gan ddefnyddio wyneb diwedd nanowire fel adlewyrchydd. Mae'r laserau hyn yn lleihau maint y nodwedd i drefn un donfedd wactod, ond oherwydd cyfyngiadau'r terfyn diffreithiant optegol, mae'n anodd crebachu ymhellach y laserau hyn sy'n seiliedig ar gyseinyddion dielectrig.
Mewn geometreg, mae hyd ochr ongl dde triongl dde yn llai na hyd yr hypotenws. Ar raddfa microsgopig, er mwyn torri'r terfyn diffreithiant, mae angen i hyd y ddwy ochr ongl dde fod yn fwy na'r hypotenws. Yn 2009, sylweddolodd tri thîm yn y byd gyntaf nanolasers plasmonig a dorrodd trwy'r terfyn diffreithiant optegol. Yn eu plith, sylweddolodd tîm Prifysgol California, Prifysgol Berkeley a Peking nanolaser plasmonig yn seiliedig ar strwythur lled-ddargludyddion un dimensiwn nanowire-insulator-insulator-insulator; Datblygodd y tîm o Brifysgol Technoleg Eindhoven yn yr Iseldiroedd a Phrifysgol Talaith Arizona yn yr Unol Daleithiau nanolaser plasmonig yn seiliedig ar strwythur plât gwastad tri haen metel metel-lled-ddargludyddion-metel; Dangosodd tîm Prifysgol Talaith Norfolk a Phrifysgol Purdue yn yr Unol Daleithiau nanolaser plasmonig strwythur cregyn craidd yn seiliedig ar gragen ganolig ennill metel wedi'i hymgorffori â chraidd yn seiliedig ar gyseiniant plasmon arwyneb lleol.
Hynny yw, trwy gyflwyno unedau dychmygol yn yr hafaliad gwasgariad, adeiladodd gwyddonwyr driongl arbennig gydag ochr ongl dde yn hirach na'r hypotenws. Y triongl arbennig hwn sy'n caniatáu inni gyflawni lleoleiddio maes ysgafn cryfach yn gorfforol.
Ar ôl mwy na 10 mlynedd o ddatblygiad, mae nanolasers plasmon wedi dangos nodweddion rhagorol fel cyfaint modd bach iawn, cyflymder modiwleiddio ultrafast a defnydd o ynni isel. Fodd bynnag, o'i gymharu â deunyddiau dielectrig, er bod yr effaith plasmon yn cyplysu'r maes ysgafn ag osciliad cyfunol electronau rhydd mewn metelau i sicrhau lleoleiddio maes ysgafn cryfach, mae'r cyplu hwn hefyd yn cyflwyno colledion ohmig cynhenid, gan arwain at gynhyrchu gwres, sydd yn ei dro yn cynyddu pŵer dyfeisiau Defnydd ac yn cyfyngu ar ei amser cydlyniant.
Yn 2024, cynigiodd tîm Prifysgol Peking hafaliad gwasgariad unigolrwydd newydd, gan ddatgelu nodweddion gwasgariad y nanoantenna tei bwa holl-dielectrig. Trwy ymgorffori'r nanoantena clymu bwa yn y strwythur nanocavity cornel a gynigiwyd gan dîm Prifysgol Peking, gwireddwyd nanolaser dielectrig unigolrwydd sy'n torri'r terfyn diffreithiant optegol mewn system dielectrig am y tro cyntaf. Mae'r dyluniad strwythurol hwn yn caniatáu i'r maes golau gael ei gywasgu i'r eithaf, ac yn ddamcaniaethol gall gyrraedd cyfaint modd anfeidrol fach, sy'n llawer llai na'r terfyn diffreithiant optegol. Yn ogystal, mae strwythur soffistigedig y nanocavity cornel yn gwella gallu storio'r maes golau ymhellach, gan roi ffactor ansawdd uwch-uchel i'r nanolaser unigolrwydd, a'i ffactor ansawdd ceudod optegol (hy, cymhareb yr egni sy'n cael ei storio yn y ceudod optegol i'r ynni a gollir fesul cylch) gall fod yn fwy na 1 miliwn.
Datblygodd tîm Prifysgol Peking y dechnoleg arae graddol amledd optegol ymhellach yn seiliedig ar nanolasers. Fe wnaethant ddangos yn llwyddiannus potensial pwerus technoleg lasing cydlynol wedi'i gorchuddio trwy reoli tonfedd a chyfnod pob nanolaser yn yr arae laser yn union. Er enghraifft, defnyddiodd y tîm y dechnoleg hon i gyflawni lasing cydlynol arae amledd optegol mewn patrymau fel "P", "K", "U", "China" a "China", gan ddangos ei ragolygon cymhwysiad eang ym meysydd ffotoneg integredig , Araeau Ffynhonnell Golau Micro-Nano a Chyfathrebu Optegol. (Awdur: Ma Renmin, Athro'r Ysgol Ffiseg, Prifysgol Peking)
