Los láseres se usan ampliamente en comunicaciones, imágenes médicas y cirugía, electrónica de consumo y otros campos, y han cambiado profundamente la vida de las personas. En los últimos años, para que el tamaño de los láseres sea más pequeño, los científicos han desarrollado nanolasers, lo que no solo promueve aún más la miniaturización e integración de dispositivos fotónicos, sino que también abren nuevas rutas para estudiar la interacción entre la luz y la materia en condiciones extremas. Este artículo comienza con la generación de la luz y lo lleva a explorar el mundo de los nanolasers en profundidad.
En el campo de la tecnología de la información, los transistores y los láseres son dos componentes centrales. La miniaturización de los transistores ha promovido el rápido desarrollo de chips electrónicos y generó la conocida ley de Moore: el número de transistores que se pueden acomodar en un circuito integrado se duplicará cada 18 meses más o menos. Esta tendencia ha empujado el tamaño de los transistores más avanzados al nivel nanométrico. En la actualidad, se pueden integrar más de 10 mil millones de transistores en el teléfono móvil y los chips de computadora utilizados por el público, dando a estos dispositivos potentes capacidades de procesamiento de información y promoviendo la llegada de la era digital e inteligente. Al mismo tiempo, la miniaturización de los láseres ha desencadenado una revolución en la tecnología fotónica. Después de más de medio siglo de desarrollo, los láseres de semiconductores en miniatura se han utilizado ampliamente en comunicaciones, almacenamiento de datos, imágenes médicas y cirugía, detección y medición, electrónica de consumo, fabricación aditiva, visualización e iluminación y otros campos.
Escalar los láseres es más difícil que los transistores porque dependen de los transistores de partículas microscópicas muy diferentes dependen de los electrones, mientras que los láseres dependen de los fotones. En las bandas visibles y de infrarrojo cercano, las longitudes de onda de los fotones son tres órdenes de magnitud más altas que las longitudes de onda de los electrones en los transistores. Sujeto al límite de difracción, el volumen de modo mínimo en el que se pueden exprimir estos fotones es de aproximadamente nueve órdenes de magnitud, o mil millones de veces, más grande que el de los electrones en un transistor. El desafío central en la construcción de láseres a nanoescala es cómo romper el límite de difracción y "comprimir" el volumen de fotones al límite. Superar este problema no solo promoverá significativamente el desarrollo de la tecnología fotónica, sino que también dará lugar a muchos escenarios de aplicación nuevos. Imagine que cuando los fotones, como los electrones, pueden manipularse de manera flexible a escala nanómetro, podemos usar la luz para observar directamente la estructura fina del ADN, y también podemos crear chips integrados optoelectrónicos a gran escala, y la velocidad de procesamiento de la información y la eficiencia ser muy mejorado.
En los últimos años, a través de plasmones superficiales y mecanismos de localización de campo de luz de punto singular, el volumen del modo láser ha excedido el límite de difracción óptica y ha entrado en la nanoescala, dando lugar a nanolasers.
1. Abre la puerta brillante para explorar lo desconocido
En la naturaleza, la luz se genera de dos maneras: radiación espontánea y radiación estimulada.
La radiación espontánea es un proceso maravilloso. Incluso en la oscuridad completa y sin ningún fotón externo, la materia puede emitir luz por sí sola. Esto se debe a que el vacío no está realmente "vacío". Está lleno de pequeñas fluctuaciones de energía, llamadas energía de vacío de punto cero. La energía de vacío de punto cero puede hacer que la materia excitada libere fotones. Por ejemplo, iluminar una vela produce la luz de las velas. La historia del uso humano del fuego se remonta a más de 1 millón de años. El fuego trajo luz y calidez a los antepasados humanos y abrió el capítulo de la civilización. Las llamas y las lámparas incandescentes son fuentes de radiación espontánea. Queman o se calientan para poner electrones en un estado de alta energía, y luego liberan fotones bajo la acción de la energía de vacío de punto cero para iluminar el mundo.
La radiación estimulada revela una interacción más profunda entre la luz y la materia. Cuando un fotón externo pasa a través de una sustancia en un estado excitado, desencadena la sustancia para liberar un nuevo fotón que es exactamente el mismo que el fotón incidente. Este fotón "copiado" hace que el haz de luz sea altamente direccional y consistente, que es el láser con el que estamos familiarizados. Aunque la invención del láser es hace menos de un siglo, se ha integrado rápidamente en la vida pública, provocando cambios en la tierra.
La invención del láser ha abierto una puerta brillante para que la humanidad explore lo desconocido. Nos proporciona herramientas poderosas y promueve en gran medida el desarrollo de la civilización moderna. En el campo de la información y la comunicación, los láseres han hecho realidad las comunicaciones de fibra óptica de alta velocidad y han hecho posible la interconexión global. En atención médica, la cirugía láser se caracteriza por una alta precisión y una mínima invasividad, lo que proporciona a los pacientes métodos de tratamiento más seguros y efectivos. En la fabricación industrial, el corte y la soldadura con láser mejoran la eficiencia de producción y la precisión del producto, lo que permite a las personas crear maquinaria y equipo más sofisticados. En la investigación científica, los láseres son herramientas clave para la detección de ondas gravitacionales y la tecnología de información cuántica, que ayudan a los científicos a descubrir los misterios del universo.
Desde la impresión láser y la belleza médica en la vida diaria hasta la fusión nuclear controlada, el radar láser y las armas láser en tecnología de vanguardia, los láseres están en todas partes y tienen un profundo impacto en el desarrollo del mundo. No solo ha cambiado nuestra forma de vida, sino que también ha ampliado la capacidad de los seres humanos para comprender y transformar la naturaleza.
2. Herramientas poderosas para comprender y aprovechar la naturaleza
Inspirado en la Ley de Radiación de la Bosque Negro de Planck, Einstein propuso el concepto de radiación estimulada en 1917, y este descubrimiento sentó las bases para la invención de los láseres. En 1954, los científicos estadounidenses Townes y otros informaron por primera vez un oscilador de microondas realizado por radiación estimulada, a saber, un maser de microondas. Utilizaron moléculas de amoníaco excitadas como medios de ganancia y utilizaron una cavidad resonante de microondas de aproximadamente 12 cm de largo para proporcionar retroalimentación, realizando a los masers de microondas con una longitud de onda de aproximadamente 12.56 cm. El maser de microondas se considera el predecesor del láser, pero el láser puede producir radiación coherente a una frecuencia más alta, con ventajas como un volumen más pequeño, mayor intensidad y mayor capacidad de carga de información.
En 1960, el científico estadounidense Maiman inventó el primer láser. Usó una varilla de rubí de aproximadamente 1 cm de largo como el medio de ganancia, y los dos extremos de la barra estaban plateados para actuar como reflectores para proporcionar retroalimentación óptica. Bajo la excitación de una lámpara de flash, el dispositivo produjo una salida láser con una longitud de onda de 694.3 nanómetros. Vale la pena señalar que el tamaño del maser de microondas está en el mismo orden de magnitud que su longitud de onda. Según esta relación proporcional, el tamaño del láser debe ser de unos 700 nanómetros. Sin embargo, el tamaño del primer láser fue mucho más grande que esto, en más de 4 órdenes de magnitud. Tomó alrededor de 30 años reducir el láser a un tamaño comparable a la longitud de onda, y tomó medio siglo romper el límite de la longitud de onda y realizar láseres de longitud de subwavel profunda.
En comparación con las fuentes de luz ordinarias, la energía de radiación de los masers y los láseres de microondas se concentra en un rango de frecuencia muy estrecho. Por lo tanto, estos dos inventos pueden considerarse como una localización de ondas electromagnéticas en el espacio de frecuencia a través de la radiación estimulada. La radiación estimulada también se puede utilizar para localizar las ondas electromagnéticas en el tiempo, el momento y las dimensiones del espacio. Al localizar las ondas electromagnéticas en estas dimensiones, las fuentes de luz láser pueden lograr oscilaciones de frecuencia extremadamente estables, pulsos ultra cortos, alta direccionalidad y volúmenes de modo extremadamente pequeños, lo que nos permite medir con precisión el tiempo, observar el movimiento rápido, la información de transmisión y la energía en largas distancias en largas distancias , lograr la miniaturización del dispositivo y obtener una mayor resolución de imágenes.
Desde el advenimiento de los láseres, las personas han estado buscando constantemente una localización más fuerte de campos de luz en dimensiones como la frecuencia, el tiempo, el impulso y el espacio, promoviendo el rápido desarrollo de la investigación de física láser y los dispositivos láser, haciendo de los láseres una herramienta poderosa para comprender y utilizar la naturaleza .
En la dimensión de frecuencia, a través de la cavidad de alta calidad, el control de la retroalimentación y el aislamiento ambiental, los láseres pueden mantener frecuencias extremadamente estables, promoviendo avances en muchas investigaciones científicas importantes, como la condensación de Bose-Einstein (Premio Nobel 2001 en Física), espectroscopía láser de precisión ( Premio Nobel de Física 2005 y detección de ondas gravitacionales (Premio Nobel de Física 2017).
En la dimensión de tiempo, la tecnología de bloqueo del modo y la tecnología de generación armónica de alto orden hacen realidad los pulsos láser de ultrashort. A través de la localización de tiempo extremo, los láseres de atosegundos pueden producir pulsos de luz que duran solo un ciclo óptico. Este avance permite observar procesos ultrarrápidos, como el movimiento de electrones en la capa interna de átomos, y ganó el Premio Nobel de Física 2023.
En la dimensión de impulso, el desarrollo de láseres de modo único de gran área ha logrado un alto grado de localización del campo de la luz en el espacio de impulso, lo que hace que el haz láser sea altamente direccional. Se espera que el láser altamente colimado resultante promueva el desarrollo de comunicaciones ópticas interestelares de alta velocidad de la distancia ultra larga.
En la dimensión espacial, la introducción de los plasmones de superficie y los mecanismos de localización del campo de la luz de singularidad permite que el volumen del modo láser rompa el límite de difracción óptica y alcance una escala inferior a (λ/2n) 3 (donde λ es la longitud de onda de la luz de espacio libre de luz de espacio libre y N es el índice de refracción del material), lo que da a luz a nanolasers. La aparición de nanolasers tiene una importancia de gran alcance para innovar la tecnología de la información y estudiar la interacción entre la luz y la materia en condiciones extremas.
3. Rompiendo el límite de difracción óptica
Más de 30 años después de la invención del láser, con el avance de la tecnología de micro-maquinamiento y una comprensión más profunda de la investigación de física láser y los dispositivos láser, se han desarrollado varios tipos de láseres de micro-semiconductores uno tras otro, incluidos los láser de microdisco , láseres de defectos de cristal fotónico y láseres de nanocables. En 1992, Bell Laboratories en los Estados Unidos se dio cuenta con éxito del primer láser de micro disco, utilizando el modo de galería Whispering en el micro-disco para permitir que la luz refleje repetidamente en el micro-disco, genere retroalimentación resonante y logre láser. En 1999, el Instituto de Tecnología de California en los Estados Unidos se dio cuenta del primer láser de defectos de cristal fotónico al introducir defectos puntuales en cristales fotónicos bidimensionales para restringir la luz. En 2001, la Universidad de California, Berkeley, realizó con éxito láseres de nanocables semiconductores por primera vez usando la cara final de un nanocable como reflector. Estos láseres reducen el tamaño de la característica al orden de una sola longitud de onda de vacío, pero debido a las limitaciones del límite de difracción óptica, estos láseres basados en resonadores dieléctricos son difíciles de reducir aún más.
En la geometría, la longitud del lado recto de un triángulo derecho es menor que la longitud de la hipotenusa. En una escala microscópica, para romper el límite de difracción, la longitud de los dos lados en ángulo recto debe ser mayor que el hipotenuso. En 2009, tres equipos en el mundo se dieron cuenta por primera vez de nanolasers plasmónicos que atravesaron el límite de difracción óptica. Entre ellos, el equipo de la Universidad de California, Berkeley y la Universidad de Pekín se dieron cuenta de un nanolaser plasmónico basado en una estructura de metal de nanoconductores semiconductores unidimensionales; El equipo de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en los Países Bajos y la Universidad Estatal de Arizona en los Estados Unidos desarrolló un nanolasador plasmónico basado en una estructura de placa plana de tres capas-semiconductor-semiconductor de metal; El equipo de la Universidad Estatal de Norfolk y la Universidad de Purdue en los Estados Unidos demostró una nanolaser plasmónica de estructura núcleo de caparazón basado en una carcasa de ganancia de metal embebida con núcleo basada en la resonancia de plasmón de superficie localizada.
En otras palabras, al introducir unidades imaginarias en la ecuación de dispersión, los científicos en realidad construyeron un triángulo especial con un lado recto más largo que el hipotenuso. Es este triángulo especial el que nos permite lograr físicamente una localización de campo de luz más fuerte.
Después de más de 10 años de desarrollo, los nanolasers de plasmón han demostrado excelentes características como volumen de modo extremadamente pequeño, velocidad de modulación ultrarrápida y bajo consumo de energía. Sin embargo, en comparación con los materiales dieléctricos, aunque el efecto plasmón combina el campo de la luz con la oscilación colectiva de electrones libres en metales para lograr una localización de campo de luz más fuerte, este acoplamiento también introduce pérdidas óhmicas inherentes, lo que lleva a la generación de calor, lo que a su vez aumenta la potencia del dispositivo. consumo y limita su tiempo de coherencia.
En 2024, el equipo de la Universidad de Pekín propuso una nueva ecuación de dispersión de singularidad, revelando las características de dispersión de la nanoantena de corbata de arco dieléctrica. Al incrustar la nanoantena de la corbata de arco en la estructura de la nanocavidad de la esquina propuesta por el equipo de la Universidad de Pekín, un nanolaser dieléctrico de singularidad que rompe el límite de difracción óptica se realizó en un sistema dieléctrico por primera vez. Este diseño estructural permite que el campo de la luz se comprime al extremo, y teóricamente puede alcanzar un volumen de modo infinitamente pequeño, que es mucho más pequeño que el límite de difracción óptica. Además, la estructura sofisticada de la nanocavidad de la esquina mejora aún más la capacidad de almacenamiento del campo de la luz, dando al nanolaser de singularidad un factor de calidad ultra alta y su factor de calidad de la cavidad óptica (es decir, la relación de la energía almacenada en la cavidad óptica a la energía perdida por ciclo) puede exceder los 1 millón.
El equipo de la Universidad de Pekín desarrolló aún más la tecnología de matriz gradual de frecuencia óptica basada en nanolasers. Demostraron con éxito el poderoso potencial de la tecnología de láser coherente organizada controlando con precisión la longitud de onda y la fase de cada nanolaser en la matriz de láser. Por ejemplo, el equipo usó esta tecnología para lograr una matriz de frecuencia óptica coherente en patrones como "P", "K", "U", "China" y "China", lo que demuestra sus amplias perspectivas de aplicación en los campos de fotónicos integrados , matrices de fuente de luz micro-nano y comunicaciones ópticas. (Autor: Ma Renmin, profesor de la Escuela de Física, Universidad de Pekín)
