نانولیزر

نانولیزر

3.1 لیزر میکرودیسک.

3.2 لیزر کریستال فوتونیک.

3.3 نانولیزر نانوسیم.

3.4 نانولیزر پلاسمونیک.

3.5 انواع جدید نانولیزر.

لیزر میکرودیسک

لیزر میکرودیسک یک لیزر بسیار کوچک است که از یک دیسک با ساختارهای چاه کوانتومی ساخته شده در آن تشکیل شده است. ابعاد آن می تواند در مقیاس میکرو یا در مقیاس نانو وجود داشته باشد. لیزرهای میکرودیسک از یک حفره تشدید حالت پچ پچ استفاده می کنند.[4][5][25] نور موجود در حفره در اطراف محیط دیسک حرکت می‌کند و بازتاب داخلی کل فوتون‌ها می‌تواند منجر به محصور شدن نور قوی و یک فاکتور با کیفیت بالا شود، که به معنای توانایی قدرتمند ریزحفره برای ذخیره انرژی فوتون‌های جفت شده در حفره است.

پیشرفت در فناوری نانولیزر

آلبرت اینشتین در سال 1916 انتشار تحریک شده را پیشنهاد کرد، [1] [2] که به اولین نمایش لیزر در سال 1961 کمک کرد.[2][3] از آن زمان به بعد، مردم همواره به دنبال کوچک سازی لیزرها برای اندازه فشرده تر و مصرف انرژی کمتر بوده اند. از آنجایی که مردم در دهه 1990 متوجه شدند که نور برهمکنش‌های متفاوتی با ماده در مقیاس نانو دارد، پیشرفت قابل توجهی برای دستیابی به کوچک‌سازی لیزرها و افزایش راندمان تبدیل توان حاصل شده است. انواع مختلفی از نانولیزرها در دهه های گذشته توسعه یافته اند.

در دهه 1990، برخی از طرح‌های جذاب لیزر میکرودیسک[4][5] و لیزر کریستال فوتونی[6] [7] نشان داده شد که اندازه حفره یا حجم انرژی با قطرهای میکرو/نانو دارند و به حد پراش نور نزدیک می‌شوند. رفتار نورتابی نانوسیم‌های ZnO توده‌ای برای اولین بار در سال 2001 توسط پروفسور Peidong Yang از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی گزارش شد و دری را برای مطالعه نانولیزرهای نانوسیمی باز کرد.[8] این طرح ها هنوز از حد پراش تجاوز نمی کنند تا زمانی که لیزرهای پلاسمونیک یا اسپاسرها نشان داده شوند.

دیوید جی. برگمن و مارک استاکمن برای اولین بار امواج پلاسمون سطحی تقویت شده را با گسیل تحریک شده پیشنهاد کردند و اصطلاح Spaser را به عنوان "تقویت پلاسمون سطحی با انتشار تحریک شده تشعشع" در سال 2003 ابداع کردند.[9][10] تا سال 2009، نانولیزرهای پلاسمونیک یا اسپاسرها برای اولین بار به صورت تجربی به دست آمدند، [11] [12] [13] که در آن زمان به عنوان کوچکترین نانولیزرها در نظر گرفته می شدند.

تقریباً از سال 2010، پیشرفت در فناوری نانولیزر وجود داشته است و انواع جدیدی از نانولیزرها مانند لیزر تقارن زمان برابری، حالت‌های محدود در لیزر پیوسته و لیزر عایق‌های توپولوژیکی فوتونیک توسعه یافته‌اند.

جدول زمانی توسعه نانولیزرها

جدول زمانی توسعه نانولیزرها

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

مجله نانوفوتونیک

درباره این مجله

نانوفوتونیک نتایج تحقیقات بین المللی اخیر، پیشرفت های خاص در زمینه های زمینه و برنامه های جدید را پوشش می دهد و در همکاری با علم منتشر شده است. این متعلق به مجلات بالا در زمینه است. نانوفوتونیک بر اثر متقابل فوتون ها با نانو ساختارها، مانند نانوذرات کربن، ذرات نانو فلزی، کریستال نانو، نقاط نانو نیمه هادی، کریستال های فوتونیک، بافت و DNA، تمرکز دارد. مجله آخرین تحولات برای فیزیکدانان، مهندسان و دانشمندان مادی را پوشش می دهد که در زمینه های مربوط به:

پلاسمونیک: نانوساختارهای فلزی و خواص نوری آنها

متا مواد، اصول و برنامه های کاربردی

مفاهیم و دستگاه های نانوفوتونیک برای برداشت و تبدیل انرژی خورشیدی

میکروسکوپ نوری در نزدیکی میدان

Nanowavuideguide و دستگاه

نانو لیزر

نانوساختارها، نانوذرات، نانولوله ها، نانوسیم ها، نانوسیم ها

کریستال های فوتونی

فوتونیک سیلیکون یکپارچه

نقطه کوانتومی نیمه هادی

اطلاعات کوانتومی و اطلاعات کوانتومی

انتشار پالس فوق العاده و غیر خطی در مواد نانو و ساختارها

تعامل نور سبک، تکنیک های دستکاری نوری

نانوبیوفوتونیک

اکسپلویی

اپلئوکیک

برنامه های کاربردی سیستم بر اساس دستگاه های نانوفوتونیک

تکنیک های نانوذرات، پردازش فیلم نازک، خودآموزی

اهمیت نانولیزرهای متامتریال

اهمیت نانولیزرهای متامتریال با توجه به اینکه هنوز یک فناوری در حال توسعه هستند، زیاد است و پیشرفت‌های بیشتری در زمینه کاربردها و استفاده صنعتی حاصل نشده است. اکنون می‌توان متامواد را با ساختارها یا الگوهای مصنوعی در مقیاس نانو ساخت تا موادی بسازند که در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار گیرد.

این نانولیزرهای فرامواد به راحتی می توانند نوری را در مقیاس نانو تولید کنند که منسجم است، بر خلاف لیزرهای معمولی، که در آن تراکم و کارایی یک خلأ بزرگ بود.

نانولیزرهای متامتریال آستانه کمی در رابطه با پمپ‌های نوری، نسبت سیگنال به نویز بهتر، میزان بازده داخلی و خارجی بالاتر در مقیاس کوانتومی و طول لیزر کوتاه‌تر متشکل از میکرون‌های بسیار کم و در کل اندازه فشرده خوبی دارند.

با توجه به منحصربه‌فرد بودن نانولیزر و متاماده، محدودیت آستانه لیزر کم، راندمان لیزر بالاتر و سرعت‌هایی که در مدولاسیون‌ها بسیار بالاتر هستند، نانولیزرهای فراماده پتانسیل بالایی در بسیاری از کاربردهای سنجش عملی دارند. کاربردهای دیگر شامل استفاده از نانوسیم ها برای مشخص کردن مواد برای شناسایی در کمترین پارامتر نوری مانند یک مولکول منفرد با مدولاسیون های سریع تر و وضوح بالاتر است. این ویژگی‌ها تاکید می‌کنند که چرا این نانولیزرهای فرامواد در خواص نوری مهم هستند.

کاربردها و مزایای نانولیزر متامتریال جدید

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

نانولیزر متامتریال خواص منحصر به فرد بسیاری دارد. اما ابتدا باید به معنای این مواد نگاهی بیندازیم. متامتریال ها ویژگی مورد نظری را ارائه می دهند که به طور طبیعی یافت نمی شود. آنها معمولا از مواد کامپوزیتی مانند پلاستیک و فلز ساخته می شوند. اینها در الگوهایی مونتاژ می شوند که در مقیاس های بسیار کوچک تکرار می شوند و می توانند بر طول موج تأثیر بگذارند.

منحصر به فرد بودن در طراحی ساختاری آنها منجر به تولید خواص هوشمند می شود که منجر به مدیریت امواج الکترومغناطیسی مختلف با جذب، خمش یا مسدود کردن امواج برای دستیابی به خواص مطلوب می شود.

نمودار شماتیک ساختار نانولیزر متامتریال که قسمت های مختلف لیزر را نشان می دهد.

نانولیزرها نور را در ابعاد نانو ساطع می کنند. آنها با استفاده از نانوسیم ها یا مواد در مقیاس نانو برانگیخته می شوند.

نانولیزرهای متامتریال

محققان با ترکیب متا مواد و نانولیزرها نانولیزرهای متامتریال را ساخته اند که کاربردهای زیادی در صنعت نوری دارند. اینها به گونه ای طراحی شده اند که از هر نوع متامتریال استفاده می شود. فرامواد مورد بحث در بالا دارای برخی موجبرها هستند که به صورت دوره ای نوارها و شکاف های هوا در مقیاس نانو هستند. این موجبرها از همه طرف با هوا حصار می شوند و فقط قسمت زیرین زیرلایه باقی می ماند.

متامتریال بهره می تواند در را برای داشتن منابع نور کارآمد یکپارچه با دستگاه های فوتونیک سیلیکونی در همان پلت فرم باز کند.

شکاف های هوای توزیع شده افقی با نوارهای بهره که به صورت دوره ای توزیع می شوند، عمدتاً برای دستیابی به ضریب شکست مفید متاماده بهبود می یابند که برای کاربرد مورد نظر، عمدتاً لیزر و طول موج پمپ، مناسب است.

فراماده بهره برای پمپاژ نوری کارآمد و انتشار لیزر، و در نتیجه نانولیزر موج سیار با طول کوتاه با اندازه فشرده اجازه می دهد.

یک سوئیچ مغناطیسی برای لیزرهای پلاسمونیک

نانولیزرهای پلاسمونیک، که برای اولین بار در سال 2009 توصیف شد، در حال حاضر در طیف‌سنجی رامان تقویت‌شده سطحی و سایر حسگرهای زیستی استفاده می‌شوند. اکنون یک تیم تحقیقاتی در فنلاند با اختراع یک کلید روشن و خاموش مغناطیسی برای چنین نانولیزرهایی این فناوری را بیشتر بهبود بخشیده است.

دانشمندان دانشگاه آلتو فنلاند، فلزات نجیب مورد استفاده در اکثر نانولیزرهای پلاسمونیک قبلی را با نقاط ریز ساخته شده از دو فلز با واکنش های قوی تر به میدان های مغناطیسی خارجی جایگزین کردند. نوع جدید کنترل می تواند منجر به پردازش بهتر سیگنال روی تراشه و اکتشافات جدید در زمینه فوتونیک توپولوژیکی شود.

نحوه عملکرد نانولیزر

تیم آلتو چندین آرایه دوره‌ای از نانو نقطه‌ها را بر روی زیرلایه‌ای از طلا و یک عایق دی اکسید سیلیکون ساخت. به‌جای ساختن نقطه‌ها از طلای دفع‌کننده مغناطیس، محققان برج‌های استوانه‌ای از لایه‌های نازک متناوب پلاتین و کبالت به قطر 220 نانومتر و ارتفاع 68 نانومتر ساختند. (پلاتین پارامغناطیس است، در حالی که کبالت فرومغناطیسی است.) شبکه ها دارای تناوب 590 نانومتر در هر دو جهت x و y برای آرایه های مربعی و 520 تا 540 نانومتر در جهت y برای آرایه های مستطیلی بودند.

در طول ساخت، دانشمندان نانو نقطه ها را در محلول رنگ لیزری مادون قرمز به نام IR-140 غوطه ور کردند. این تیم یک آرایه را با تحریک آن با پالس‌های 200 fs دایره‌ای چپ یا راست تابش 800 نانومتری به لیزر تبدیل کردند. حداکثر طول موج نور خروجی تقریباً 890 نانومتر بود.

Päivi Törmä، فیزیکدانی که سرپرست گروه دینامیک کوانتومی آلتو است، می‌گوید: «این لیزرهای پلاسمونیک از بسیاری جهات مانند یک لیزر معمولی عمل می‌کنند. "محیط افزایش، مولکول های رنگ در یک محلول است که نزدیک به آرایه قرار می گیرد، و "رزوناتور" وجود یک لبه نواری است که بازخورد را ارائه می دهد (این اصل مشابه چیزی است که به طور گسترده در لیزرهای بازخورد توزیع شده معمول استفاده می شود) "

هنگامی که محققان میدان مغناطیسی را معکوس کردند، دریافتند که آستانه و شدت لیزر بسته به جهت مغناطیسی تغییر می کند. در واقع، در یک جریان پمپ درست بالاتر از آستانه لیزر، تیم گزارش می‌دهد که می‌تواند شدت لیزر را تا 75 تا 90 درصد با کلیدزنی مغناطیسی تعدیل کند و به طور موثر یک کلید روشن و خاموش ایجاد کند.

یک پلت فرم توپولوژیکی-فوتونیکی؟

با بررسی تأثیر سوئیچینگ مغناطیسی بر رفتار لیزر، این تیم همچنین شواهدی از تقسیم بین دو حالت لیزر کایرال مخالف را مشاهده کردند. طبق این مقاله، این نوع تقسیم توسط شکست تقارن معکوس زمانی (یعنی جهت مغناطیسی) "در ایجاد سیستم های توپولوژیکی غیر پیش پا افتاده ضروری است."

آنالوگ های فوتونیک به اصطلاح عایق های توپولوژیکی در فیزیک ماده متراکم موضوعی داغ برای چندین سال بوده است (به «سیستم های فوتونیک توپولوژیکی»، OPN، می 2018 مراجعه کنید). تصور می‌شود که فوتونیک توپولوژیک می‌تواند به طور بالقوه انواع جدیدی از پردازش سیگنال و سایر کاربردهایی را که در برابر بی نظمی، نقص‌های مواد و اختلالات خارجی مقاوم هستند، اجازه دهد. و گروه Aalto فکر می‌کند که نانولیزرهای کنترل‌شده مغناطیسی آنها می‌تواند «سکوی هیجان‌انگیزی» برای مطالعه چنین اثرات توپولوژیکی باشد.

تورما می‌گوید: «حالت‌های کایرال و سایر اثرات کایرالی که می‌بینیم، تأثیر قوی شکست تقارن معکوس زمانی را که مغناطش ذرات ایجاد می‌کند، منعکس می‌کند، و این شکست تقارن، همراه با هندسه شبکه مناسب، می‌تواند بعداً برای تولید سیستم‌های توپولوژیکی مورد استفاده قرار گیرد.» می گوید. مهم است که وجود ساختار آرایه و حالت‌های شبکه مربوطه در کار ما برای تقویت اثرات مورد انتظار مغناطیسی یافت شد - این قابل توجه است و نوید مطالعات توپولوژیکی را در آینده می‌دهد.

تورما تاکید می کند که او و همکارانش هنوز به لیزر غیر متقابل دست نیافته اند، که زمانی رخ می دهد که تقارن معکوس زمانی سیستم شکسته شود. با این حال، او می گوید، احتمالاً می توان آن را در تغییرات آینده در این نوع نانولیزر مشاهده کرد.

پیگیری درخواست ها

قدم بعدی تورما و همکارانش ساختن سیستم های فوتونیک توپولوژیکی واقعی است. او می گوید: «سوئیچینگ مغناطیسی را می توان به عنوان مکانیزم کنترلی در هر نانولیزر پلاسمونیکی از این نوع استفاده کرد. "اگر کسی شروع به دنبال کردن چنین برنامه هایی کند، آنها می توانند ظرف چند سال قابل اجرا باشند، زیرا این فناوری در حال حاضر روی تراشه است."

به گفته تورما، بزرگترین مانع در دستیابی به چنین نانولیزرهای یکپارچه در کاربردهای واقعی، دستیابی به یک سیستم پمپاژ الکتریکی به جای پمپ نوری خواهد بود. با این حال، اگر این کار محقق شود، او تعدادی استفاده بالقوه را برای این لیزرهای کوچک و سوئیچ مغناطیسی متصور است. به عنوان مثال، نانولیزرهای پلاسمونیک را می توان در سنجش استفاده کرد، زیرا پدیده لیزر حتی تغییرات کوچکی را در ساختار حالت (ناشی از چیزی که فرد می خواهد تشخیص دهد) را تقویت می کند.

لیزر، نانوذرات و اپتیک