Nanolaser - Nanolaser
Un nanolaser es un láser que tiene dimensiones de nanoescala y se refiere a un micro / nanodispositivo que puede emitir luz con luz o excitación eléctrica de nanocables u otros nanomateriales que sirven como resonadores . Una característica estándar de los nanoláseres incluye su confinamiento de luz en una escala que se aproxima o suprime el límite de difracción de la luz . Estos pequeños láseres pueden ser modulados de forma rápida y, combinado con su pequeña huella , esto les hace candidatos ideales para el chip computación óptica .
Historia
Albert Einstein propuso la emisión estimulada en 1916, lo que contribuyó a la primera demostración del láser en 1961. Desde entonces, la gente ha estado persiguiendo la miniaturización de los láseres para lograr un tamaño más compacto y un menor consumo de energía todo el tiempo. Dado que la gente notó que la luz tiene diferentes interacciones con la materia a nanoescala en la década de 1990, se ha logrado un progreso significativo para lograr la miniaturización de los láseres y aumentar la eficiencia de conversión de energía. Durante las últimas décadas se han desarrollado varios tipos de nanoláseres.
En la década de 1990, se demostró que algunos diseños intrigantes de láser de microdiscos y láser de cristal fotónico tenían un tamaño de cavidad o un volumen de energía con micro / nano diámetros y se acercaban al límite de difracción de la luz. El comportamiento de la fotoluminiscencia de los nanocables de ZnO a granel fue informado por primera vez en 2001 por el profesor Peidong Yang de la Universidad de California, Berkeley, y abrió la puerta al estudio de los nanocables de nanocables . Estos diseños todavía no superan el límite de difracción hasta la demostración de láseres plasmónicos o espasmos.
David J. Bergman y Mark Stockman propusieron por primera vez ondas de plasmón de superficie amplificadas por emisión estimulada y acuñaron el término espaser como "amplificación de plasmón de superficie por emisión de radiación estimulada" en 2003. Hasta 2009, los nanoláseres plasmónicos o espasadores se lograron por primera vez de forma experimental, que fueron considerados como los nanoláseres más pequeños en ese momento.
Desde aproximadamente 2010, ha habido avances en la tecnología de nanoláseres y se han desarrollado nuevos tipos de nanoláseres, como el láser de simetría de paridad-tiempo , los estados ligados en el láser continuo y el láser de aisladores topológicos fotónicos .
Comparación con láseres convencionales
Si bien comparten muchas similitudes con los láseres estándar, los nanoláseres mantienen muchas características y diferencias únicas con respecto a los láseres convencionales debido al hecho de que la luz interactúa de manera diferente con la materia a nanoescala.
Mecanismo
Al igual que los láseres convencionales, los nanoláseres también se basan en la emisión estimulada propuesta por Einstein; la principal diferencia entre el nanolaser y los convencionales en el mecanismo es el confinamiento de la luz. El resonador o cavidad juega un papel importante al seleccionar la luz con una cierta frecuencia y la misma dirección que la amplificación de mayor prioridad y suprimir la otra luz para lograr el confinamiento de la luz. Para los láseres convencionales, se aplica la cavidad Fabry-Pérot con dos espejos de reflexión paralelos. En este caso, la luz podría limitarse a un máximo de la mitad de su longitud de onda y dicho límite se considera el límite de difracción de la luz. Para acercarse o disminuir el límite de difracción de la luz, una forma es mejorar la reflectividad del medio de ganancia , como el uso de banda prohibida fotónica y nanocables. Otra forma eficaz de superar el límite de difracción es convertir la luz en plasmones de superficie en metales nanoestructurados, para amplificación en cavidad. Recientemente, se han propuesto nuevos mecanismos de confinamiento de luz fuerte para nanoláseres, incluida la simetría de paridad-tiempo, aislantes topológicos fotónicos y estados ligados en el continuo.
Propiedades
En comparación con los láseres convencionales, los nanoláseres muestran distintas propiedades y capacidades. Las mayores ventajas de los nanoláseres son sus volúmenes físicos ultrapequeños para mejorar la eficiencia energética, disminuir los umbrales de láser y lograr altas velocidades de modulación.
Tipos de nanoláseres
Láser de microdisco
Un láser de microdisco es un láser muy pequeño que consta de un disco con estructuras de pozos cuánticos incorporadas. Sus dimensiones pueden existir a microescala o nanoescala. Los láseres de microdiscos utilizan una cavidad resonante en modo galería susurrante . La luz en la cavidad viaja alrededor del perímetro del disco y la reflexión interna total de los fotones puede resultar en un fuerte confinamiento de luz y un factor de alta calidad, lo que significa una poderosa capacidad de la microcavidad para almacenar la energía de los fotones acoplados en la cavidad.
Láser de cristal fotónico
Los láseres de cristal fotónico utilizan estructuras dieléctricas periódicas con diferentes índices de refracción; la luz se puede confinar con el uso de una microcavidad de cristal fotónico. En los materiales dieléctricos, existe una distribución espacial ordenada. Cuando hay un defecto en la estructura periódica, la estructura de cristal fotónico bidimensional o tridimensional confinará la luz en el espacio del límite difractivo y producirá el fenómeno de resonancia Fano , lo que significa un factor de alta calidad con un fuerte confinamiento de luz. para láseres. La característica fundamental de los cristales fotónicos es la banda prohibida fotónica, es decir, la luz cuya frecuencia cae en la banda prohibida fotónica no puede propagarse en la estructura cristalina, lo que resulta en una alta reflectividad para la luz incidente y un fuerte confinamiento de la luz a un volumen pequeño. de escala de longitud de onda. La aparición de cristales fotónicos hace que la emisión espontánea en el espacio de fotones se suprima por completo. Pero el alto costo del cristal fotónico impide el desarrollo y la difusión de las aplicaciones de los láseres de cristal fotónico.
Nanolaser de nanoalambres
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Los láseres de nanocables semiconductores tienen una estructura cuasi-unidimensional con diámetros que van desde unos pocos nanómetros hasta unos pocos cientos de nanómetros y longitudes que van desde cientos de nanómetros hasta unas pocas micras. El ancho de los nanocables es lo suficientemente grande como para ignorar el efecto de tamaño cuántico , pero son guías de ondas unidimensionales de alta calidad con secciones transversales cilíndricas, rectangulares, trigonales y hexagonales. La estructura cuasi unidimensional y la alta reflectividad del láser de nanocables hacen que tenga una buena guía de ondas óptica y la capacidad de confinamiento de la luz. Los láseres de nanocables tienen un mecanismo similar al de la cavidad de Fabry-Pérot . La alta reflectividad del nanoalambre y las caras planas de los extremos del cable constituyen una buena cavidad resonante, en la que los fotones se pueden unir entre los dos extremos del nanoalambre para limitar la energía de la luz a la dirección axial del nanoalambre, cumpliendo así las condiciones para la formación del láser. . Los nanocables poligonales pueden formar una cavidad casi circular en la sección transversal que admite el modo de galería susurrante.
Nanolaser plasmónico
El nanolaser basado en plasmón de superficie se conoce como nanolaser plasmónico, cuyo tamaño supera con creces el límite de difracción de la luz. Especialmente, si un nanoláser plasmónico es nanoscópico en tres dimensiones, también se denomina espaciador , que se sabe que tiene el tamaño de cavidad y el tamaño de modo más pequeños. El diseño de nanoláser plasmónico se ha convertido en uno de los métodos tecnológicos más eficaces para la miniaturización láser en la actualidad. Un poco diferente de los láseres convencionales, una configuración típica de nanolaser plasmónico incluye un proceso de transferencia de energía para convertir fotones en plasmones de superficie. En nanolaser plasmónico o espaciador, el excitón ya no son fotones sino polaritón plasmón de superficie . Los plasmones de superficie son oscilaciones colectivas de electrones libres sobre superficies metálicas bajo la acción de campos electromagnéticos externos . Según sus manifestaciones, el modo de cavidad en los nanoláseres plasmónicos se puede dividir en los plasmones de superficie de propagación polaritones (SPP) y los plasmones de superficie localizada de no propagación (LSP).
Los SPP son ondas electromagnéticas que se propagan a lo largo de la interfaz entre el metal y el medio, y sus intensidades decaen gradualmente en la dirección perpendicular a la interfaz de propagación. En 2008, Oulton validó experimentalmente un láser de nanocables de plasma que consta de una fina capa dieléctrica con una baja reflectividad que crece sobre una superficie metálica y una capa de ganancia con un nanocable semiconductor de alto índice de refracción . En esta estructura, el campo electromagnético se puede transferir de la capa de metal a la capa de separación intermedia, de modo que la energía del modo está altamente concentrada, reduciendo así en gran medida la pérdida de energía en el metal.
El modo LSP existe en una variedad de nanoestructuras metálicas diferentes, como nanopartículas metálicas (nanoesferas, nanobarras, nanocubos, etc.) y matrices de nanopartículas. A diferencia de los polaritones del plasmón de superficie de propagación, el plasmón de superficie localizado no se propaga a lo largo de la superficie, sino que oscila hacia adelante y hacia atrás en la nanoestructura en forma de ondas estacionarias. Cuando la luz incide en la superficie de unas nanopartículas metálicas, provoca un desplazamiento real de la carga superficial en relación con los iones. La atracción entre electrones e iones permite la oscilación de la nube de electrodos y la formación de la superficie local a partir del excímero de polarización. La oscilación de los electrones está determinada por los límites geométricos de diferentes nanopartículas metálicas. Cuando su frecuencia de resonancia es consistente con el campo electromagnético incidente, formará la resonancia de plasmón de superficie localizada. En 2009, Mikhail A. Noginov de la Universidad Estatal de Norfolk en los Estados Unidos verificó con éxito el nanoláser basado en LSP por primera vez. El nanolaser de este artículo estaba compuesto por un núcleo de Au que proporciona el modo plasmón y un dióxido de silicio dopado con tinte OG-488 que proporciona el medio de ganancia. El diámetro del núcleo de Au era de 14 nm, el grosor de la capa de sílice era de 15 nm y el diámetro de todo el dispositivo era de solo 44 nm, que era el nanoláser más pequeño en ese momento.
Nuevos tipos de nanoláseres
Además, se han desarrollado algunos tipos nuevos de nanoláseres en los últimos años para acercarse al límite de difracción. La simetría de paridad-tiempo está relacionada con un equilibrio de ganancia y pérdida óptica en un sistema de cavidad acoplada. Cuando se controlan el contraste de ganancia-pérdida y la constante de acoplamiento entre dos cavidades idénticas y cercanas, la transición de fase de los modos láser se produce en un punto excepcional. Los estados ligados en el láser continuo confinan la luz en un sistema abierto mediante la eliminación de los estados de radiación a través de la interferencia destructiva entre los modos resonantes. Un láser aislante topológico fotónico se basa en el modo óptico de aisladores topológicos, donde los estados topológicos se confinan dentro de los límites de la cavidad y se pueden utilizar para la formación de láser. Todos esos nuevos tipos de nanoláseres tienen un factor de alta calidad y pueden lograr un tamaño de cavidad y un tamaño de modo que se acerque al límite de difracción de la luz.
Aplicaciones
Debido a las capacidades únicas que incluyen bajos umbrales láser, alta eficiencia energética y altas velocidades de modulación, los nanoláseres muestran un gran potencial para aplicaciones prácticas en los campos de caracterización de materiales , interconexiones ópticas integradas y detección.
Nanolasers para caracterización de materiales
Los intensos campos ópticos de dicho láser también permiten el efecto de mejora en la óptica no lineal o la dispersión raman mejorada en la superficie ( SERS ). Los nanoláseres de nanocables pueden ser capaces de detección óptica a escala de una sola molécula con alta resolución y modulación ultrarrápida.
Nanolasers para interconexiones ópticas integradas
Internet se está desarrollando a una velocidad extremadamente alta con un gran consumo de energía para la comunicación de datos . La alta eficiencia energética de los nanoláseres juega un papel importante en la disminución del consumo de energía para la sociedad del futuro.
Nanolasers para detectar
Recientemente se ha demostrado que los sensores de nanoláseres plasmónicos pueden detectar moléculas específicas en el aire y utilizarse para biosensores ópticos . Las moléculas pueden modificar la superficie de las nanopartículas metálicas e impactar en la velocidad de recombinación superficial del medio de ganancia de un nanolaser plasmónico, lo que contribuye al mecanismo de detección de los nanolasers plasmónicos.
Desafíos
Aunque los nanoláseres han mostrado un gran potencial, todavía existen algunos desafíos para el uso a gran escala de nanoláseres, por ejemplo, nanoláseres inyectados eléctricamente, ingeniería de configuración de cavidades y mejora de la calidad del metal. Para los nanoláseres, la realización de la operación de inyección o bombeo eléctricamente a temperatura ambiente es un paso clave hacia su aplicación práctica. Sin embargo, la mayoría de los nanoláseres se bombean ópticamente y la realización de nanoláseres inyectados eléctricamente sigue siendo un desafío técnico importante en la actualidad. Solo unos pocos estudios han informado sobre nanoláseres inyectados eléctricamente. Además, sigue siendo un desafío realizar la ingeniería de configuración de la cavidad y la mejora de la calidad del metal, que son cruciales para satisfacer los requisitos de alto rendimiento de los nanoláseres y lograr sus aplicaciones. Recientemente, las matrices de nanolaser muestran un gran potencial para aumentar la eficiencia energética y acelerar la velocidad de modulación.