Lasers eru mikið notaðir í samskiptum, læknisfræðilegum myndgreiningum og skurðaðgerðum, neytenda rafeindatækni og öðrum sviðum og hafa breytt lífi fólks djúpt. Undanfarin ár, til að gera stærð leysir smærri, hafa vísindamenn þróað nanolasers, sem ekki aðeins stuðla enn frekar að smámyndun og samþættingu ljósritunartækja, heldur einnig að opna nýjar leiðir til að rannsaka samspil ljóss og efnis við erfiðar aðstæður. Þessi grein byrjar á kynslóð ljóssins og tekur þig til að kanna heim nanólasers ítarlega.
Á sviði upplýsingatækni eru smára og leysir tveir kjarnþættir. Miniaturization smára hefur stuðlað að hraðri þróun rafrænna flísar og hrogn vel þekkt lög Moore - fjöldi smára sem hægt er að koma til móts við samþætta hringrás mun tvöfaldast á 18 mánaða fresti eða svo. Þessi þróun hefur ýtt á stærð fullkomnustu smára að nanómetra stigi. Sem stendur er hægt að samþætta meira en 10 milljarða smára í farsímanum og tölvuflísunum sem almenningur notar, sem gefur þessum tækjum öfluga upplýsingavinnslu getu og stuðla að komu stafrænna og greindra tíma. Á sama tíma hefur litlu leysir hrundið af stað byltingu í ljósmyndatækni. Eftir meira en hálfa aldar þroska hafa litlu hálfleiðara leysir verið mikið notaðir í samskiptum, gagnageymslu, læknisfræðilegri myndgreiningu og skurðaðgerð, skynjun og mælingu, neytenda rafeindatækni, aukefnaframleiðslu, birtingu og lýsingu og öðrum sviðum.
Stærð leysir er erfiðari en smári vegna þess að þeir treysta á mjög mismunandi smásjár agnir sem -tors treysta á rafeindir en leysir treysta á ljóseindir. Í sýnilegum og nær innrauða hljómsveitum eru ljóseindar bylgjulengdir þrjár stærðargráður hærri en bylgjulengdir rafeinda í smári. Með fyrirvara um dreifingarmörkin er lágmarksstillingarrúmmál sem hægt er að kreista þessar ljóseindir um níu stærðargráðu eða milljarð sinnum, stærri en rafeindir í smári. Kjarnaáskorunin við að byggja upp nanóskala leysir er hvernig á að brjótast í gegnum sundrunarmörkin og „þjappa“ rúmmál ljóseindanna að takmörkunum. Að vinna bug á þessu vandamáli mun ekki aðeins stuðla verulega að þróun ljósmyndatækni, heldur mun það einnig leiða til margra nýrra forrita. Ímyndaðu þér að þegar hægt er að vinna með ljóseindir, eins og rafeindir, á nanómetra kvarðann, getum við notað ljós til að fylgjast beint með fínu uppbyggingu DNA, og við getum líka búið til stórfellda optoelectronic samþætta flís og upplýsingavinnsluhraða og skilvirkni mun gera það mun gera vera mjög bætt.
Undanfarin ár, með yfirborðsplasmónum og staðbundnum staðbundnum staðbundnum staðbundnum stað, hefur rúmmál leysisstillingarinnar farið yfir sjóndreifingarmörkin og farið í nanóskalann og þannig gefið nanólas.
1. Opnaðu björtu hurðina til að kanna hið óþekkta
Í náttúrunni myndast ljós á tvo vegu: sjálfsprottin geislun og örvuð geislun.
Sjálfsprottin geislun er yndislegt ferli. Jafnvel í fullkomnu myrkri og án utanaðkomandi ljóseinda getur efni sent frá sér ljós á eigin spýtur. Þetta er vegna þess að tómarúmið er ekki raunverulega „tómt“. Það er fyllt með örsmáum orkusveiflum, kallað tómarúm núllpunkta orka. Tómarúm núllstig orka getur valdið því að spennt efni losar ljóseindir. Til dæmis framleiðir lýsing á kerti kertaljós. Saga mannlegrar notkunar elds má rekja til meira en 1 milljón ára. Eldur færði mönnum forfeðrum ljós og hlýju og opnaði kaflann um siðmenningu. Logar og glóandi lampar eru báðir sjálfsprottnir geislunarheimildir. Þeir brenna eða hita til að setja rafeindir í orkuástand og losa síðan ljóseindir undir verkun núllstigs orku til að lýsa upp heiminn.
Örvuð geislun leiðir í ljós dýpri samspil ljóss og efnis. Þegar utanaðkomandi ljóseind fer í gegnum efni í spennandi ástandi kallar það á efnið til að losa nýja ljóseind sem er nákvæmlega það sama og atvikið ljóseind. Þessi „afritaða“ ljóseind gerir ljósgeislann mjög stefnu og stöðuga, sem er leysirinn sem við þekkjum. Þrátt fyrir að uppfinning leysisins sé fyrir minna en öld síðan hefur hún fljótt verið samþætt í opinberu lífi og leitt til þess að jarðskjálftar breytingar.
Uppfinning leysisins hefur opnað björt hurð fyrir mannkynið til að kanna hið óþekkta. Það veitir okkur öflug tæki og stuðlar mjög að þróun nútíma siðmenningar. Á sviði upplýsinga og samskipta hafa leysir gert háhraða ljósleiðarasamskipti að veruleika og gert alþjóðlega samtengingu mögulega. Í læknishjálp einkennist leysiraðgerðir af mikilli nákvæmni og óánægju, sem veitir sjúklingum öruggari og skilvirkari meðferðaraðferðir. Í iðnaðarframleiðslu bætir leysirskurður og suðu framleiðslugetu og nákvæmni vöru, sem gerir fólki kleift að búa til flóknari vélar og búnað. Í vísindarannsóknum eru leysir lykilverkfæri til að greina þyngdarbylgju og skammta upplýsingatækni og hjálpa vísindamönnum að afhjúpa leyndardóma alheimsins.
Allt frá laserprentun og læknisfræðilegri fegurð í daglegu lífi til stjórnaðs kjarnasamruna, leysir ratsjá og leysirvopn í nýjustu tækni, eru leysir alls staðar og hafa mikil áhrif á þróun heimsins. Það hefur ekki aðeins breytt lífsstíl okkar, heldur einnig aukið getu manna til að skilja og umbreyta náttúrunni.
2. öflug tæki til að skilja og virkja náttúruna
Innblásin af lögum um svartbotngeislun Plancks lagði Einstein til hugtakið örvaða geislun árið 1917 og þessi uppgötvun lagði grunninn að uppfinningu leysir. Árið 1954 greindu bandarísku vísindamennirnir og aðrir fyrst frá örbylgjuofni sveiflu sem var að veruleika með örvuðum geislun, nefnilega örbylgjuofni. Þeir notuðu spenntar ammoníak sameindir sem Gain Media og notuðu örbylgjuofn resonant hola um 12 cm að lengd til að veita endurgjöf og áttuðu sig á örbylgjuofns með bylgjulengd um 12,56 cm. Litið er á örbylgjuofninn sem forveri leysisins, en leysirinn getur framleitt heildstæða geislun á hærri tíðni, með kostum eins og minni rúmmáli, hærri styrkleiki og hærri upplýsingaflutningsgetu.
Árið 1960 fann bandaríski vísindamaðurinn Maiman upp fyrsta leysinum. Hann notaði rúbínstöng sem var um það bil 1 cm að lengd og ávinningsmiðillinn og tveir endar stangarinnar voru silfurhúðaðir til að virka sem endurspeglar til að veita sjónviðbrögð. Undir örvun leifturlampa framleiddi tækið leysirafköst með bylgjulengd 694,3 nanómetra. Þess má geta að stærð örbylgjuofnsins er í sömu stærðargráðu og bylgjulengd hennar. Samkvæmt þessu hlutfallslegu sambandi ætti stærð leysisins að vera um 700 nanómetrar. Hins vegar var stærð fyrsta leysisins miklu stærri en þetta, með meira en 4 stærðargráðum. Það tók um það bil 30 ár að skreppa saman leysinum í stærð sem er sambærileg við bylgjulengdina og það tók hálfa öld að brjótast í gegnum bylgjulengdamörkin og átta sig á djúpum leysum undir bylgjulengd.
Í samanburði við venjulega ljósgjafa er geislunarorka örbylgjuofns og leysir einbeitt á mjög þröngt tíðnisvið. Þess vegna er hægt að líta á þessar tvær uppfinningar sem staðsetningu rafsegulbylgjna í tíðnisrými með örvuðum geislun. Örvandi geislun er einnig hægt að nota til að staðsetja rafsegulbylgjur í tíma, skriðþunga og rýmisvíddir. Með því að staðsetja rafsegulbylgjur í þessum víddum geta ljósgjafar leysir náð mjög stöðugum tíðni sveiflum, öfgafullum stuttum belgjurtum, mikilli stefnu og mjög litlu magni, sem gerir okkur kleift að mæla tíma, fylgjast með hratt hreyfingu, senda upplýsingar og orku yfir langar vegalengdir , náðu litlu tækjum og fáðu meiri myndgreiningarupplausn.
Frá tilkomu leysir hefur fólk stöðugt stundað sterkari staðsetning ljóssviða í víddum eins og tíðni, tíma, skriðþunga og rými, stuðla að hraðri þróun rannsókna á eðlisfræði og leysir tæki, sem gerir leysir að öflugu tæki til að skilja og nýta náttúruna .
Í tíðnivíddinni, með hágæða hola, viðbragðseftirliti og einangrun umhverfisins, geta leysir haldið mjög stöðugum tíðnum, stuðlað að byltingum í mörgum helstu vísindarannsóknum, svo sem þéttingu Bose-Einstein (Nóbelsverðlaun 2001 í eðlisfræði), nákvæmni litrófsgreiningar (litrófsgreining (litrófsgreining (litrófsgreining (Nóbelsrannsóknir (Nóbelsverðlaun í eðlisfræði), nákvæmni litrófsgreiningar (Nóbelsverðlaun í eðlisfræði), nákvæmni litrófsgreiningar (Nóbelsverðlauna í eðlisfræði), nákvæmni litrófsgreiningar (Nóbelsverðlaun í eðlisfræði), nákvæmni litrófsgreiningar (Nóbelsverðlaun í eðlisfræði) 2005 Nóbelsverðlaun í eðlisfræði) og Gravitational Wave Detection (Nóbelsverðlaun 2017 í eðlisfræði).
Í tímavíddinni gera Mode Locking Technology og High-Order Harmonic Generation Technology Ultrashort Laser Pulses að veruleika. Með mikilli staðsetningu geta attósekúndur leysir framleitt ljóspúls sem varir aðeins um eina sjónhring. Þessi bylting gerir það mögulegt að fylgjast með öfgafullum ferlum eins og hreyfingu rafeinda í innra lag atómanna og vann 2023 Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði.
Í skriðþungavíddinni hefur þróun stóra svæðis eins og leysir náð mikilli staðsetningu ljóssviðsins í skriðþungarými, sem gerir leysigeislann mjög stefnu. Búist er við að mjög samsafnað leysir sem myndast muni stuðla að þróun öfgafullrar lengra fjarlægðra háhraða sjónsamskipta.
Í staðbundinni vídd gerir innleiðing yfirborðsplasmóna og staðbundnar staðsetningarbúnað fyrir Singularity Light Field kleift að rífa leysisstillinguna til að brjótast í gegnum sjóndreifingarmörkin og ná kvarða minna en (λ/2n) 3 (þar sem λ er bylgjulengd laust geimljóss. og n er ljósbrotsvísitala efnisins) og fæðir þannig nanólas. Tilkoma nanólasers hefur víðtækar þýðingar fyrir nýsköpun upplýsingatækni og rannsaka samspil ljóss og efnis við erfiðar aðstæður.
3. Brot á ljósdreifingarmörkum
Meira en 30 árum eftir uppfinningu leysisins, með framgangi ör-vandræðitækni og dýpri skilning á leysir eðlisfræðirannsóknum og leysir tækjum, hafa ýmsar gerðir af ör-jaðarleiðara verið þróaðir hver á fætur annarri, þar á meðal ördisk leysir , Photonic Crystal galla leysir og nanowire leysir. Árið 1992 áttuðu Bell Laboratories í Bandaríkjunum með góðum árangri fyrsta ördisk leysirinn, með því að nota Whispering Gallery Mode í ördisk til að leyfa ljós að endurspegla ítrekað í ördisk, mynda ómun endurgjöf og ná lasing. Árið 1999 áttaði tæknistofnunin í Kaliforníu í Bandaríkjunum að fyrsta ljósritunargalla leysirinn með því að kynna punktagalla í tvívíddum ljóseindum kristöllum til að takmarka ljós. Árið 2001 áttaði University of California, Berkeley, með góðum árangri á hálfleiðara nanowire leysir í fyrsta skipti með því að nota loka andlit nanowire sem endurskins. Þessir leysir draga úr eiginleikastærð í röð eins lofttæmis bylgjulengd, en vegna takmarkana á sjóndreifingarmörkum er erfitt að minnka þessa leysir byggðar á dielectric resonators enn frekar.
Í rúmfræði er lengd hægri hliðar hliðar hægri þríhyrnings minni en lengd lágþrýstingsins. Á smásjárskala, til að brjóta sundurliðunarmörkin, þarf lengd tveggja hægri hliðar hliðanna að vera meiri en lágþrýstinginn. Árið 2009 áttuðu þrjú teymi í heiminum fyrst á plasmonic nanolasers sem brutust í gegnum sjóndreifingarmörkin. Meðal þeirra áttaði teymi háskólans í Kaliforníu, Berkeley og Peking háskóla á plasmonic nanolaser byggð á einsvíddar hálfleiðara nanowire-einangrunar-metal uppbyggingu; Teymi Eindhoven tækniháskólans í Hollandi og Arizona State University í Bandaríkjunum þróaði plasmonic nanolaser byggð á málm-blóðleiðara-málm þriggja laga flata plötuuppbyggingu; Teymi Norfolk State University og Purdue University í Bandaríkjunum sýndi fram á kjarna-skel uppbyggingu plasmonic nanolaser sem byggist á málmkjarnamynduðum ávinnings miðlungs skel byggð á staðbundinni yfirborðsplasmon ómun.
Með öðrum orðum, með því að kynna ímyndaðar einingar í dreifingarjöfnunni, smíðuðu vísindamenn í raun sérstakan þríhyrning með rétthyrndri hlið lengur en lágþrýstinginn. Það er þessi sérstaka þríhyrningur sem gerir okkur kleift að ná líkamlega sterkari staðbundinni ljósreit.
Eftir meira en 10 ára þroska hafa plasmon nanólasarar sýnt framúrskarandi einkenni eins og mjög lítið magn af magni, ultrafast mótunarhraða og litla orkunotkun. Samt sem Neysla og takmarkar samfelldan tíma.
Árið 2024 lagði Peking háskólaliðið til nýrrar dreifingarjöfnunar á einstökum eintölu og afhjúpaði dreifingareinkenni alls-dielectric boga-tie nanoantenna. Með því að fella boga-tie nanoantenna í hornið nanocavity uppbygging sem Peking háskólaliðið lagði til, var eintölu dielectric nanolaser sem brýtur sjóndreifingarmörkin að veruleika í dielectric kerfi í fyrsta skipti. Þessi burðarvirki hönnun gerir kleift að þjappa ljósreitnum til öfga og fræðilega getur náð óendanlega litlu magni, sem er mun minni en sjóndreifingarmörkin. Að auki eykur háþróuð uppbygging hornsins nanocavity enn frekar geymslugetu ljóssviðsins, sem gefur einstök nanólaser öfgafullan gæðaþátt og gæðaþátt þess (þ.e.a.s. Að orkunni sem tapast á hverri lotu) getur farið yfir 1 milljón.
Háskólalið Peking þróaði ennfremur Optical Frequency Frail Technology byggða á nanólaserum. Þeir sýndu með góðum árangri öflugan möguleika á samfelldri lasing tækni með því að stjórna nákvæmlega lasandi bylgjulengd og áfanga hvers nanólaser í leysir fylkingunni. Til dæmis notaði teymið þessa tækni til að ná fram sjón -tíðni fylkingunni samfelld lasing í mynstri eins og „P“, „K“, „U“, „Kína“ og „Kína“, sem sýndi fram á víðtækar notkunarhorfur sínar á sviðum samþættra ljósmynda , ör-nanó ljósgjafa og sjónsamskipti. (Höfundur: Ma Renmin, prófessor í eðlisfræðiskólanum, Peking háskóla)
