ده سال اسپاسرها و نانولیزرهای پلاسمونیک

یک نانولیزر مبتنی بر حالت شکاف پلاسمونیک فلز-عایق-نیمه هادی-عایق-فلز، که در آن محصور شدن عمودی با استفاده از یک ساختار ناهمگن دوتایی به دست آمد. b نانولیزر پلاسمونیک مبتنی بر حالت پلاسمونیک نانوسیم دوبعدی محدود35. c Spaser بر اساس حالت سه بعدی نانوذرات فلزی محدود شده است

خلاصه

ده سال پیش، سه تیم به طور آزمایشی اولین اسپاسرها یا نانولیزرهای پلاسمونیک را پس از اینکه مفهوم اسپاسر برای اولین بار به صورت نظری در سال 2003 مطرح شد، به نمایش گذاشتند. مروری بر پیشرفت قابل توجهی که در 10 سال گذشته به دست آمده در اینجا همراه با زمینه اصلی و اصلی ارائه شده است. انگیزه های این تحقیق پس از یک مقدمه کلی، ابتدا خواص اساسی اسپاسرها را خلاصه می کنیم و انگیزه های اصلی را که منجر به اولین نمایش اسپاسرها و نانولیزرها شده است، مورد بحث قرار می دهیم. این با مروری بر پیشرفت های مهم تکنولوژیکی، از جمله کاهش آستانه لیزر، مدولاسیون دینامیکی، عملیات دمای اتاق، تزریق الکتریکی، کنترل و بهبود اسپاسرها، عملکرد آرایه اسپاسرها، و کاربردهای منتخب اسپاسرهای تک ذره ای دنبال می شود. چشم اندازهای تحقیقاتی در رابطه با چندین جهت توسعه ارائه شده است، از جمله کوچک سازی بیشتر، رابطه با تراکم بوز-اینشتین، اتصالات متقابل جدید مبتنی بر اسپاسر، و سایر ویژگی های اسپاسرها و لیزرهای پلاسمونیک که هنوز محقق نشده اند یا چالش هایی که هنوز وجود دارد. غلبه شود

معرفی

در میان اکتشافات و اختراعاتی که علم، فناوری و به طور کلی تمدن را به شکلی که ما می شناسیم تعریف کرده است، اختراع لیزر در 60 سال پیش خودنمایی می کند.1،2،3. لیزرها قابلیت منحصر به فردی را برای تمرکز انرژی به شکل تابش منسجم در کمترین حجم فاز-فضای ممکن در اپتیک فراهم می کنند. این اجازه می دهد تا پرتوهای منسجم با حداقل واگرایی زاویه ای یا تمرکز تابش به کوچکترین نقاط ممکن، با اندازه های کمتر از نیم طول موج. لیزرها همچنین امکان تمرکز انرژی نوری در حوزه زمانی را به کوتاه‌ترین پالس‌های ممکن، با مدت زمانی در حد یک چرخه نوری می‌دهند، و دسترسی به پدیده‌های زیرسیکلی با مدت زمان‌هایی در حدود ۱۰۰ آتوثانیه را فراهم می‌کنند.

از نظر تاریخی، لیزرها به دلیل تک رنگی بودن، شدت بالا و واگرایی پرتوی پایین خود منادی شده بودند. با این حال، امروزه، انتشار تحریک‌شده به‌عنوان ابزاری برای مهندسی میدان‌های نوری با فرکانس‌های مشخص، ویژگی‌های آماری، پلاریزاسیون‌ها و پروفایل‌های فضایی استفاده می‌شود. دامنه برنامه های کاربردی بسیار گسترده است. مینیاتورسازی همیشه یک موضوع دائمی تحقیقات در فوتونیک بوده است. تنها 2 سال پس از اولین لیزر 3 میمن، لیزرهای نیمه هادی 6 پدیدار شدند که مرتبه ای کوچکتر بودند. از نظر فناوری، لیزرهای نیمه هادی به طور طبیعی فشرده تر هستند، اما با ظهور هتروساختارها7، آنها همچنین قادر به کار با توان کمتر تحت تزریق الکتریکی، حتی تحت انرژی باتری شدند. از آنجایی که مقیاس بندی و ادغام ترانزیستور انقلاب های میکروالکترونیک و کامپیوتر را به حرکت در می آورد، ادغام میکروالکترونیک با فوتونیک برای مدت طولانی غیرقابل اجتناب تلقی می شد. هنگامی که کوچکترین ابعاد لیزرها سرانجام به مقیاسهای طول موجی در دهه 1990 رسیدند (مثلاً رجوع کنید به شماره 9)، آنها هنوز چندین مرتبه بزرگتر از ترانزیستورها بودند. با این حال، مشخص شد که تشدید کننده های نوری در مقیاس میکرو و نانو را می توان برای کنترل انتشار خود به خودی مورد استفاده قرار داد. از این پارادایم، کنترل انتشار خود به خودی به عنوان یک موضوع مدرن تحقیقاتی در زمینه نانولیزرها پدیدار شد.

در آغاز هزاره، نانولیزرهای کریستال فوتونیک (PC) با پمپ نوری در میان کوچک‌ترین دستگاه‌ها بودند. دیگر اشکال لیزرهای کوچک به زودی از اوایل دهه 2000 شروع شد، مانند لیزرهای نانوسیمی 12،13،14،15،16. با این حال، تلاش برای کاهش اندازه تشدید کننده، تولید چنین لیزرهای کامپیوتری کوچکی را که تحت تزریق الکتریکی کار می کنند، بسیار دشوار کرد. تماس‌های فلزی که از نزدیک به حفره نزدیک می‌شدند ناگزیر باعث تلفات پراکندگی و جذب شدند. عوارض رسانش حرارتی ضعیف و پایداری مکانیکی کم نیز به وجود آمد زیرا این دستگاه ها از غشاهای معلق نازک مواد نیمه هادی ساخته شدند. در همین حال، بسیاری از مطالعات بر روی موجبرهای فلزی، احتمال محصور شدن در فراتر از محدوده طول موج نور را نشان می‌دهد. از آنجایی که چنین رویکردهایی باعث تلفات فلزی شدند، استراتژی‌های افزایش یکپارچه نیز برای طولانی‌تر کردن انتشار نور ابداع شدند. عنصر نهایی، و کلید کاهش موثر اندازه فیزیکی لیزرها، ظهور حفره های مبتنی بر فلز بود که در حالت دی الکتریک 27 یا حالت پلاسمونیک در سال 200728 کار می کردند. لیزر29،30،31،32: محصور کردن نوری، بازخورد، تماس های الکتریکی و مدیریت حرارتی33،34،35،36. چنین رویکردهایی متکی به فلزات برای حمایت از امواج الکترومغناطیسی سطحی بود که از نوسانات الکترونی برای ارتقای محصور شدن نوری استفاده می کردند. برگمن و استاکمن 33 بودند که برای اولین بار در سال 2003 متوجه شدند که این امواج پلاسمون سطحی نیز می توانند با انتشار تحریک شده تقویت شوند. بنابراین، مفهوم اسپاسر (مخفف برای تقویت پلاسمون سطحی با انتشار تحریک شده تشعشع) متولد شد.

انتشار تاریک نانولیزرهای پلاسمونیک

شکل 1:

تصویربرداری از گسیل تاریک پلاسمون سطحی یک نانولیزر پلاسمونیک با میکروسکوپ تابش نشت.

شماتیک میکروسکوپ تشعشعی نشتی برای تصویربرداری از انتشار یک نانولیزر پلاسمونیک در فضاهای فضایی (بالا) و تکانه (پایین). b-c تصاویر فضایی (b) و تکانه (c) از انتشار نانولیزر پلاسمونیک که از طریق میکروسکوپ تشعشع نشتی (رنگ کاذب) به دست آمده است. شکل اقتباس شده [34].

نانولیزرهای پلاسمونیک: خواص و کاربردهای اساسی

خلاصه

نانولیزرهای پلاسمونیک دسته جدیدی از ساطع کننده های منسجم هستند که در آنها پلاسمون های سطحی با انتشار تحریک شده در یک نانوحفره پلاسمونیک تقویت می شوند. در مقایسه با لیزرها، اندازه فیزیکی و حجم حالت نانولیزرهای پلاسمونیک می‌تواند فراتر از حد پراش نوری کوچک شود و می‌تواند با سرعت بیشتر و مصرف انرژی کمتری کار کند. در ابتدا توسط برگمن و استاکمن در سال 2003 پیشنهاد شد، و برای اولین بار در سال 2009 به صورت تجربی نشان داده شد. در اینجا ما مطالعات خود را در مورد خواص اساسی و کاربردهای نانولیزرهای پلاسمونیک در سال های اخیر، از جمله مشخصه تابش تاریک، قوانین مقیاس، بازده کوانتومی، آستانه کوانتومی، خلاصه می کنیم. بهینه سازی سود و زیان، مواد پلاسمونیک کم تلفات، سنجش، و مهندسی حالت ویژه.

کلمات کلیدی: نانولیزرها نانولیزر پلاسمونیک؛ لیزرهای نیمه هادی؛ اسپاسرها

1. مقدمه

در سال 1916، آلبرت انیشتین قانون تابش جسم سیاه پلانک را بر اساس تعادل حرارتی ماده و تشعشع دوباره استخراج کرد و وجود انتشار تحریک شده را مطرح کرد [1]. کشف تابش تحریک شده منجر به ساطع کننده های منسجم میزر و لیزر می شود که به ترتیب مخفف "تقویت امواج مایکروویو با انتشار تحریک شده تشعشع" و "تقویت نور با انتشار تحریک شده تشعشع" هستند. اولین میزر توسط چارلز اچ. تاونز، جیمز پی گوردون و هربرت جی. زیگر در سال 1954 گزارش شد [2]. به دلیل طول موج زیاد، اندازه حفره میزر در حد متر است. لیزر بر اساس همان اصل میزر عمل می کند، اما در فرکانس نوری بالاتر عمل می کند. در سال 1958، Arthur L. Schawlow و Charles H. Townes از نظر تئوری تکنیک های میزر را به ناحیه مادون قرمز و نوری که لیزر است گسترش دادند، اما در آن زمان آن را میزر نوری می نامیدند [3]. اولین لیزر توسط تئودور میمن در سال 1960 گزارش شد [4].

بلافاصله پس از اختراع، لیزرها به یک محرک کلیدی برای علم و فناوری مدرن تبدیل شدند. ایجاد لیزرهای کوچکتر از همان ابتدا یک هدف تحقیقاتی بوده است، با هدف اندازه فشرده تر و مصرف انرژی کمتر. لیزرهای ساطع کننده لبه نیمه هادی دارای اندازه 100 میکرومتر هستند و محرک های کلیدی برای پیوندهای نوری دوربرد هستند. لیزرهای ساطع کننده سطح نیمه هادی دارای اندازه ویژگی حدود 10 میکرومتر هستند و بهترین راه حل برای اتصالات نوری در فواصل کوتاه و لوازم الکترونیکی مصرفی هستند. در حدود سال 2000، نمایش لیزرهای میکرودیسک [5]، لیزرهای کریستال فوتونی [6] و لیزرهای نانوسیم [7] اندازه ویژگی یک لیزر را به ناحیه میکرومتر یا حتی زیر میکرومتر کاهش داد. با این حال، لیزرها فوتون ها را تقویت می کنند، که در آن حد پراش نوری مانعی برای کاهش اندازه فیزیکی و حجم حالت آن ایجاد می کند. برای منطقه مادون قرمز و نوری نزدیک، لیزرها نمی توانند کوچکتر از حدود صدها نانومتر باشند.

در سال 2003، برگمن و استاکمن مفهوم اسپاسر، مخفف "تقویت پلاسمون سطحی با انتشار تحریک شده تشعشع" را پیشنهاد کردند [8]. پلاسمون های سطحی شبه ذرات فوتون ها و الکترون های جفت شده هستند که در سطح فلز برانگیخته می شوند. تقویت پلاسمون‌های سطحی به جای فوتون‌ها در نانوحفره پلاسمونیک، دسته جدیدی از ساطع‌کننده‌های منسجم را با اندازه‌های مشخصه‌ای تا ده‌ها نانومتر یا حتی کوچک‌تر، قابل مقایسه با ترانزیستورهای مدرن، فراهم می‌کند. امروزه اسپیسر را نانولیزر پلاسمونیک نیز می نامند. این یک ابزار قدرتمند جدید برای کاربردهای مختلف از اتصالات نوری روی تراشه، سنجش و تشخیص، برچسب‌گذاری بیولوژیکی و ردیابی ارائه می‌کند.

در سال 2009، اولین نانولیزر پلاسمونیک به طور تجربی توسط سه تیم به طور مستقل انجام شد [9]، [10]، [11]. هر تیم یک نانولیزر پلاسمونیک را نشان داد که محصور شدن طول زیر موج را در ابعاد مختلف نشان می‌دهد. پس از آن، تعداد زیادی از نانولیزرهای پلاسمونیک با معماری های منحصر به فرد و بهره های مختلف و مواد پلاسمونیک ساخته شده اند. تعدادی مقاله مروری جامع در مورد نانولیزرهای پلاسمونیک وجود دارد [12]، [13]، [14]، [15]، [16]، [17]، [18]، [19]، [20]، [21]. ، [22]، [23]، [24]، [25]، [26]، [27]، [28]، [29]، [30]، [31]، [32]، [33]. در این دیدگاه، ما تحقیقات نانولیزرهای پلاسمونیک در گروه خود در سال‌های اخیر را خلاصه می‌کنیم، از جمله مشخصه‌های انتشار تاریک، قوانین پوسته‌گذاری، بازده کوانتومی، آستانه کوانتومی، بهینه‌سازی سود و زیان، مواد پلاسمونیک کم تلفات، سنجش، و مهندسی حالت ویژه.

نانولیزر

نانولیزر

3.1 لیزر میکرودیسک.

3.2 لیزر کریستال فوتونیک.

3.3 نانولیزر نانوسیم.

3.4 نانولیزر پلاسمونیک.

3.5 انواع جدید نانولیزر.

نانولیزر

نانولیزر لیزری است که ابعادی در مقیاس نانو دارد و به دستگاهی ریز/نانو اطلاق می‌شود که می‌تواند با نور یا تحریک الکتریکی نانوسیم‌ها یا سایر نانومواد که به عنوان تشدیدگر عمل می‌کنند، نور ساطع کند. یک ویژگی استاندارد نانولیزرها شامل محصور شدن نور آنها در مقیاسی است که به حد پراش نور نزدیک یا سرکوب می‌شود. این لیزرهای کوچک را می توان به سرعت مدوله کرد و، همراه با ردپای کوچک آنها، آنها را به کاندیدایی ایده آل برای محاسبات نوری روی تراشه تبدیل می کند.

فهرست

1 تاریخچه

2 مقایسه با لیزرهای معمولی

2.1 مکانیسم

2.2 خواص

3 انواع نانولیزر

3.1 لیزر میکرودیسک

3.2 لیزر کریستال فوتونیک

3.3 نانولیزر نانوسیم

3.4 نانولیزر پلاسمونیک

3.5 انواع جدید نانولیزر

4 برنامه های کاربردی

4.1 نانولیزرها برای شناسایی مواد

4.2 نانولیزر برای اتصالات نوری یکپارچه

4.3 نانولیزر برای سنجش

5 چالش