Nanolazer, rezonatör olarak nanotel gibi nanomalzemelerden yapılmış ve foto-uyarım veya elektriksel uyarım altında lazer ışını yayabilen bir tür mikro ve nano cihazdır. Bu lazerin boyutu genellikle sadece yüzlerce mikron veya hatta onlarca mikron olup, çapı nanometre mertebesine kadar ulaşmaktadır; bu da geleceğin ince film ekranları, entegre optik ve diğer alanlarında önemli bir rol oynamaktadır.
Nanolazerlerin sınıflandırılması:
1. Nanotel lazer
2001 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'deki araştırmacılar, insan saçının binde biri uzunluğundaki nanooptik tel üzerinde dünyanın en küçük lazerini – nanolazerleri – yarattılar. Bu lazer sadece ultraviyole ışınlar yaymakla kalmıyor, aynı zamanda maviden koyu ultraviyoleye kadar değişen ışınlar yayacak şekilde de ayarlanabiliyor. Araştırmacılar, saf çinko oksit kristallerinden lazer oluşturmak için yönlendirilmiş epifitasyon adı verilen standart bir teknik kullandılar. İlk olarak, 20 nm ila 150 nm çapında ve 10.000 nm uzunluğunda saf çinko oksit telleri "kültürlediler", yani altın bir tabaka üzerinde oluşturdular. Daha sonra, araştırmacılar sera altında başka bir lazerle nanotellerdeki saf çinko oksit kristallerini aktive ettiklerinde, saf çinko oksit kristalleri sadece 17 nm dalga boyuna sahip bir lazer yaydı. Bu tür nanolazerler, kimyasalları tanımlamak ve bilgisayar disklerinin ve fotonik bilgisayarların bilgi depolama kapasitesini artırmak için kullanılabilir.
2. Ultraviyole nanolazer
Mikro lazerler, mikro disk lazerler, mikro halka lazerler ve kuantum çığ lazerlerinin ortaya çıkmasının ardından, Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley'den kimyager Yang Peidong ve meslektaşları oda sıcaklığında nanolazerler ürettiler. Bu çinko oksit nanolazer, ışık uyarımı altında 0,3 nm'den daha az çizgi genişliğine ve 385 nm dalga boyuna sahip bir lazer ışını yayabiliyor; bu da dünyanın en küçük lazeri ve nanoteknoloji kullanılarak üretilen ilk pratik cihazlardan biri olarak kabul ediliyor. Geliştirmenin ilk aşamasında, araştırmacılar bu ZnO nanolazerin üretiminin kolay, yüksek parlaklığa sahip, küçük boyutlu ve performansının GaN mavi lazerlere eşit veya hatta daha iyi olduğunu öngördüler. Yüksek yoğunluklu nanotel dizileri oluşturma yeteneği sayesinde, ZnO nanolazerler günümüzün GaAs cihazlarıyla mümkün olmayan birçok uygulamaya girebilir. Bu tür lazerlerin yetiştirilmesi için, epitaksiyel kristal büyümesini katalize eden gaz taşıma yöntemiyle ZnO nanotel sentezlenir. Öncelikle, safir alt tabaka 1 nm ila 3,5 nm kalınlığında bir altın film tabakasıyla kaplanır ve ardından bir alümina tekneye yerleştirilir. Malzeme ve alt tabaka, amonyak akışında 880 °C ila 905 °C'ye ısıtılarak Zn buharı üretilir ve daha sonra Zn buharı alt tabakaya taşınır. 2 ila 10 dakika süren büyüme sürecinde, altıgen kesit alanına sahip 2 μm ila 10 μm çapında nanotelcikler üretilir. Araştırmacılar, ZnO nanotelciklerinin 20 nm ila 150 nm çapında doğal bir lazer boşluğu oluşturduğunu ve bunların çoğunun (%95'inin) çapının 70 nm ila 100 nm arasında olduğunu bulmuşlardır. Nanotelciklerin uyarılmış emisyonunu incelemek için araştırmacılar, bir serada numuneyi Nd:YAG lazerinin dördüncü harmonik çıkışı (266 nm dalga boyu, 3 ns darbe genişliği) ile optik olarak pompalamışlardır. Emisyon spektrumunun evrimi sırasında, pompa gücünün artmasıyla ışık lazerlenir. Lazerleme, ZnO nanotelinin eşik değerini (yaklaşık 40kW/cm) aştığında, emisyon spektrumunda en yüksek nokta ortaya çıkar. Bu en yüksek noktaların çizgi genişliği 0,3 nm'den azdır; bu da eşik değerinin altındaki emisyon tepe noktasından gelen çizgi genişliğinden 1/50'den daha azdır. Bu dar çizgi genişlikleri ve emisyon yoğunluğundaki hızlı artışlar, araştırmacıları bu nanotellerde uyarılmış emisyonun gerçekten meydana geldiği sonucuna götürmüştür. Bu nedenle, bu nanotel dizisi doğal bir rezonatör görevi görebilir ve böylece ideal bir mikro lazer kaynağı haline gelebilir. Araştırmacılar, bu kısa dalga boylu nanolazerin optik hesaplama, bilgi depolama ve nanoanalizör alanlarında kullanılabileceğine inanmaktadır.
3. Kuantum kuyusu lazerleri
2010 öncesi ve sonrasında, yarı iletken çip üzerine kazınan çizgi genişliği 100 nm veya daha azına ulaşacak ve devrede hareket eden elektron sayısı azalacaktır; bir elektronun artışı ve azalışı devrenin çalışmasını büyük ölçüde etkileyecektir. Bu sorunu çözmek için kuantum kuyusu lazerleri ortaya çıktı. Kuantum mekaniğinde, elektronların hareketini kısıtlayan ve onları kuantize eden potansiyel alana kuantum kuyusu denir. Bu kuantum kısıtlaması, yarı iletken lazerin aktif katmanında kuantum enerji seviyeleri oluşturmak için kullanılır, böylece enerji seviyeleri arasındaki elektronik geçiş, lazerin uyarılmış radyasyonuna hakim olur; bu da kuantum kuyusu lazeridir. İki tür kuantum kuyusu lazeri vardır: kuantum çizgi lazerleri ve kuantum nokta lazerleri.
① Kuantum çizgi lazeri
Bilim insanları, geleneksel lazerlerden 1.000 kat daha güçlü kuantum tel lazerleri geliştirerek, daha hızlı bilgisayarlar ve iletişim cihazları oluşturma yolunda büyük bir adım attılar. Ses, video, internet ve fiber optik ağlar üzerinden diğer iletişim biçimlerinin hızını artırabilen bu lazer, Yale Üniversitesi, New Jersey'deki Lucent Technologies Bell LABS ve Almanya'nın Dresden kentindeki Max Planck Fizik Enstitüsü'ndeki bilim insanları tarafından geliştirildi. Bu daha yüksek güçlü lazerler, iletişim hattı boyunca her 80 km'de (50 mil) bir kurulan ve fiber boyunca ilerlerken daha az yoğun lazer darbeleri üreten pahalı tekrarlayıcılara olan ihtiyacı azaltacaktır.
Yayın tarihi: 15 Haz-2023