레이저는 커뮤니케이션, 의료 영상 및 수술, 소비자 전자 및 기타 분야에 널리 사용되며 사람들의 삶을 크게 변화 시켰습니다. 최근에는 레이저의 크기를 더 작게 만들기 위해 과학자들은 나노 라이저를 개발하여 광자 장치의 소형화 및 통합을 더욱 촉진 할뿐만 아니라 극한 조건 하에서 빛과 물질 사이의 상호 작용을 연구하기위한 새로운 경로를 열었습니다. 이 기사는 빛의 생성으로 시작하여 나노 라이저의 세계를 깊이 탐구하게합니다.
정보 기술 분야에서 트랜지스터와 레이저는 두 가지 핵심 구성 요소입니다. 트랜지스터의 소형화는 전자 칩의 빠른 개발을 촉진하고 잘 알려진 무어의 법칙을 낳았습니다. 통합 회로에서 수용 할 수있는 트랜지스터의 수는 18 개월마다 두 배가됩니다. 이 추세는 가장 고급 트랜지스터의 크기를 나노 미터 레벨로 끌어 올렸습니다. 현재 100 억 개가 넘는 트랜지스터를 대중이 사용하는 휴대폰 및 컴퓨터 칩에 통합하여 이러한 장치에 강력한 정보 처리 기능을 제공하고 디지털 및 지능형 시대의 도착을 홍보 할 수 있습니다. 동시에, 레이저의 소형화는 광학 기술의 혁명을 일으켰다. 반세기가 넘는 개발 후, 미니어처 반도체 레이저는 통신, 데이터 저장, 의료 영상 및 수술, 감지 및 측정, 소비자 전자 장치, 부가 적 제조, 디스플레이 및 조명 및 기타 분야에 널리 사용되었습니다.
스케일링 레이저는 트랜지스터보다 매우 어렵 기 때문에 전자에 매우 다른 미세 입자 전환기에 의존하고 레이저는 광자에 의존하기 때문입니다. 가시 및 근적외선 밴드에서, 광자 파장은 트랜지스터에서 전자의 파장보다 3 배 더 높다. 회절 한계에 따르면, 이들 광자가 압착 될 수있는 최소 모드 부피는 트랜지스터의 전자보다 약 9 배 또는 10 억 배입니다. 나노 스케일 레이저를 구축 할 때의 핵심 과제는 회절 한계를 파괴하고 광자의 부피를 한계까지 "압축"하는 방법입니다. 이 문제를 극복하면 광자 기술의 개발을 크게 촉진 할뿐만 아니라 많은 새로운 응용 프로그램 시나리오를 야기 할 것입니다. 전자와 같은 광자가 나노 미터 규모로 유연하게 조작 될 수있을 때, 우리는 빛을 사용하여 DNA의 미세 구조를 직접 관찰 할 수 있으며, 대규모 광전자 통합 칩을 만들 수 있으며 정보 처리 속도 및 효율성은 또한 가능합니다. 크게 개선됩니다.
최근에, 표면 플라즈몬 및 단수 점 광 필드 국소화 메커니즘을 통해, 레이저 모드 부피는 광학 회절 한계를 초과하여 나노 스케일에 들어가서 나노 라이저를 일으킨다.
1. 밝은 문을 열어 미지의 것을 탐험하십시오
본질적으로, 빛은 자발적인 방사선과 자극 된 방사선의 두 가지 방식으로 생성됩니다.
자발적인 방사선은 훌륭한 과정입니다. 완전한 어둠 속에서도 외부 광자가 없더라도 물질은 그 자체로 빛을 방출 할 수 있습니다. 진공이 진정으로 "빈"이 아니기 때문입니다. 진공 제로 포인트 에너지라고하는 작은 에너지 변동으로 가득 차 있습니다. 진공 제로 포인트 에너지는 흥분된 물질이 광자를 방출하게 할 수 있습니다. 예를 들어, 촛불을 조명하면 촛불이 생성됩니다. 인간의 불 사용의 역사는 백만 년 전에 거슬러 올라갈 수 있습니다. 불은 인간 조상들에게 빛과 따뜻함을 가져다가 문명의 장을 열었습니다. 화염과 백열 램프는 모두 자발적인 방사선 원입니다. 그들은 전자를 고 에너지 상태로 넣기 위해 연소되거나 열을 타고, 진공 제로 포인트 에너지의 작용하에 광자를 방출하여 세계를 밝힙니다.
자극 된 방사선은 빛과 물질 사이의 더 깊은 상호 작용을 보여줍니다. 외부 광자가 여기 상태에서 물질을 통과 할 때, 물질을 트리거하여 사고 광자와 정확히 동일한 새로운 광자를 방출합니다. 이 "복사 된"광자는 광선을 방향성이 높고 일관성있게 만듭니다. 이것은 우리가 익숙한 레이저입니다. 레이저의 발명은 1 세기가 채되지 않지만 공공 생활에 빠르게 통합되어 지구의 변화가 발생했습니다.
레이저의 발명은 인류가 알려지지 않은 것을 탐험 할 수있는 밝은 문을 열었습니다. 그것은 우리에게 강력한 도구를 제공하고 현대 문명의 발전을 크게 장려합니다. 정보 및 커뮤니케이션 분야에서 레이저는 고속 광섬유 통신을 현실로 만들고 글로벌 상호 연결을 가능하게했습니다. 의료에서, 레이저 수술은 높은 정밀도 및 최소 침습성을 특징으로하며, 환자에게 더 안전하고 효과적인 치료 방법을 제공합니다. 산업 제조에서 레이저 절단 및 용접은 생산 효율성과 제품 정밀도를 향상시켜 사람들이보다 정교한 기계 및 장비를 만들 수 있습니다. 과학 연구에서 레이저는 중력파 탐지 및 양자 정보 기술을위한 핵심 도구이며 과학자들은 우주의 신비를 발견 할 수 있도록 도와줍니다.
일상 생활의 레이저 인쇄 및 의학적 아름다움에서 최첨단 기술의 제어 핵 융합, 레이저 레이더 및 레이저 무기에 이르기까지 레이저는 어디에나 있으며 세계의 발전에 중대한 영향을 미칩니다. 그것은 우리의 삶의 방식을 변화시킬뿐만 아니라 인간이 자연을 이해하고 변화시키는 능력을 확대했습니다.
2. 자연을 이해하고 활용하는 강력한 도구
Planck의 흑체 방사선 법에서 영감을 얻은 아인슈타인은 1917 년에 자극 된 방사선의 개념을 제안 했으며이 발견은 레이저의 발명을위한 토대를 마련했습니다. 1954 년 미국 과학자 타운과 다른 사람들은 처음으로 자극 된 방사선, 즉 전자 레인지 마사에 의해 실현 된 전자 레인지 발진기를보고했습니다. 그들은 흥분된 암모니아 분자를 게인 매체로 사용했으며 약 12cm 길이 약 12cm 길이의 전자 레인지 공진 캐비티를 사용하여 약 12.56cm의 파장을 갖는 전자 레인지 마스트를 실현했습니다. 마이크로파 마사는 레이저의 전임자로 간주되지만 레이저는 더 높은 부피, 강도 및 더 높은 정보 운반 용량과 같은 장점으로 더 높은 주파수에서 일관된 방사선을 생성 할 수 있습니다.
1960 년 미국 과학자 Maiman은 첫 번째 레이저를 발명했습니다. 그는 게인 매체만큼 약 1cm 길이의 루비로드를 사용했으며, 막대의 두 끝은 은도금되어 광학 피드백을 제공하기위한 반사기로 작용했습니다. 플래시 램프의 여기에서, 장치는 694.3 나노 미터의 파장을 갖는 레이저 출력을 생성했다. 전자 레인지 마사의 크기는 파장과 동일하다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 이 비례 관계에 따르면, 레이저의 크기는 약 700 나노 미터 여야합니다. 그러나 첫 번째 레이저의 크기는 이보다 훨씬 더 크며 4 배 이상 높았습니다. 레이저를 파장과 비슷한 크기로 축소하는 데 약 30 년이 걸렸으며 파장 한계를 뚫고 깊은 서브 파장 레이저를 실현하는 데 반세기가 걸렸습니다.
일반 광원과 비교하여, 마이크로파 마스 크 및 레이저의 방사선 에너지는 매우 좁은 주파수 범위에 집중됩니다. 따라서,이 두 발명은 자극 된 방사선을 통해 주파수 공간에서 전자기파를 국소화하는 것으로 간주 될 수있다. 자극 된 방사선은 또한 전자기파를 제 시간, 운동량 및 공간 치수로 국소화하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 치수에서 전자기파를 국소화함으로써 레이저 광원은 매우 안정적인 주파수 진동, 초고준 펄스, 높은 방향 및 매우 작은 모드 볼륨을 달성 할 수있어 시간을 정확하게 측정하고, 빠른 움직임, 정보 및 에너지를 장거리 거리에 걸쳐 장치 소형화를 달성하고 더 높은 이미징 해상도를 얻습니다.
레이저의 출현 이후, 사람들은 주파수, 시간, 모멘텀 및 공간과 같은 치수에서 광장의 더 강력한 지역화를 끊임없이 추구하여 레이저 물리 연구 및 레이저 장치의 빠른 개발을 촉진하여 레이저를 자연을 이해하고 활용하기위한 강력한 도구로 만듭니다. .
주파수 차원에서 고품질 공동, 피드백 제어 및 환경 고립을 통해 레이저는 매우 안정적인 주파수를 유지하여 Bose-Einstein 응축 (2001 노벨 물리학), 정밀 레이저 스펙트로피 (Precision Laser Spectroscopopy)와 같은 많은 주요 과학 연구에서 획기적인 획기적인 주파수를 유지할 수 있습니다. 2005 년 노벨 물리학상) 및 중력파 탐지 (2017 노벨 물리학상).
시간 차원에서 모드 잠금 기술과 고차 고조파 고조파 생성 기술은 울트래 드 레이저 펄스를 현실로 만듭니다. 극한의 시간을 통과함으로써, Attosecond 레이저는 약 1 개의 광학주기 만 지속되는 광 펄스를 생성 할 수 있습니다. 이 돌파구는 원자의 내부 층에서 전자의 움직임과 같은 초고속 공정을 관찰하고 2023 년 노벨 물리학상을 수상 할 수있게 해줍니다.
모멘텀 차원에서, 대규모 지역 단일 모드 레이저의 개발은 운동량 공간에서 광장의 높은 국소화를 달성하여 레이저 빔을 매우 방향성으로 만듭니다. 결과적으로 고도로 시준화 된 레이저는 초고대 간간 성간 고속 광학 통신의 개발을 촉진 할 것으로 예상됩니다.
공간 치수에서, 표면 플라즈몬 및 특이점 광장 국소화 메커니즘의 도입은 레이저 모드 부피가 광학 회절 한계를 뚫고 (λ/2n) 3보다 적은 스케일에 도달 할 수있게한다 (여기서 λ는 여유 공간 빛의 파장이다. N은 물질의 굴절률)이므로 나노 라이저를 낳는다. 나노 라이저의 출현은 정보 기술을 혁신하고 극한 조건 하에서 빛과 물질 사이의 상호 작용을 연구하는 데 광범위한 중요성을 가지고 있습니다.
3. 광학 회절 한계를 깨기
미세 분열 기술의 발전과 레이저 물리 연구 및 레이저 장치에 대한 더 깊은 이해를 통해 레이저 발명 후 30 년이 지난 후, 마이크로 디스크 레이저를 포함하여 다양한 유형의 미세 분해도 레이저가 개발되었습니다. , 광 결정 결함 레이저 및 나노 와이어 레이저. 1992 년 미국의 벨 실험실은 마이크로 디스크의 속삭임 갤러리 모드를 사용하여 광이 마이크로 디스크에 반복적으로 반사하고 공진 피드백을 생성하며 레이싱을 달성 할 수 있도록 최초의 마이크로 디스크 레이저를 성공적으로 실현했습니다. 1999 년 미국 캘리포니아 주 공과 대학 (California Institute of Technology)은 2 차원 광전 결정에 포인트 결함을 도입하여 빛을 제한함으로써 최초의 광 결정 결함 레이저를 실현했습니다. 2001 년 버클리 캘리포니아 대학교 (University of California, Berkeley)는 반도체 나노 와이어 레이저를 처음으로 나노 와이어의 끝면을 반사기로 사용하여 성공적으로 실현했습니다. 이들 레이저는 특징 크기를 단일 진공 파장의 순서로 줄이지 만, 광학 회절 한계의 한계로 인해 유전체 공진기를 기반으로하는 이들 레이저는 추가로 축소하기가 어렵다.
기하학적으로, 오른쪽 삼각형의 오른쪽 변형 쪽의 길이는 hypotenuse의 길이보다 작습니다. 미세한 스케일에서 회절 한계를 파괴하기 위해, 오른쪽의 길이가있는 측면의 길이는 hypotenuse보다 커야한다. 2009 년에, 세계 3 개 팀은 처음으로 광학 회절 한계를 뚫고 나온 플라즈몬 나노 라이저를 실현했습니다. 그 중에서 캘리포니아 대학교, 버클리 및 북경 대학교 팀은 1 차원 반도체 나노 와이어 절연체-금속 구조를 기반으로 한 플라스몬 나노 라이저를 깨달았습니다. 미국의 네덜란드와 애리조나 주립 대학에있는 아인트호벤 공과 대학 팀은 금속 세미 도체 금속 3 계층 플랫 플레이트 구조를 기반으로 플라즈몬 나노라 저를 개발했습니다. 미국의 노퍽 주립 대학교 팀과 퍼듀 대학교 팀은 국소화 된 표면 플라즈몬 공명을 기반으로 한 금속 코어-매립 게인 중간 쉘을 기반으로 한 코어 쉘 구조 플라스몬 나노 라이저를 시연했습니다.
다시 말해, 분산 방정식에 가상의 단위를 도입함으로써 과학자들은 실제로 hypotenuse보다 오른쪽의 오른쪽 측면을 가진 특수 삼각형을 구성했습니다. 이 특별한 삼각형은 우리가 육체적으로 더 강한 광장 현지화를 달성 할 수있게합니다.
10 년 이상의 개발 후, Plasmon Nanolaser는 매우 작은 모드 볼륨, 초고 변조 속도 및 낮은 에너지 소비와 같은 우수한 특성을 보여주었습니다. 그러나 유전체 재료와 비교할 때, 플라즈몬 효과는 광장을 금속에서 자유 전자의 집단 진동과 더 강한 광장 국소화를 달성하지만,이 커플 링은 내재 된 저장 손실을 도입하여 열 발생을 초래하여 장치 전력을 증가시킵니다. 소비와 일관성 시간을 제한합니다.
2024 년에 북경 대학 팀은 새로운 특이점 분산 방정식을 제안하여 전기 전기 나노 튜닝 나노 얀 텐나의 분산 특성을 드러 냈습니다. Bow-tie Nanoantenna를 Peking University 팀이 제안한 코너 나노 캐비티 구조에 포함시킴으로써, 광학 회절 한계를 깨뜨리는 특이성 유전체 나노 라이저는 처음으로 유전체 시스템에서 실현되었다. 이 구조 설계를 통해 광 필드는 극도로 압축 될 수 있으며 이론적으로 광학적으로 작은 모드 볼륨에 도달 할 수 있으며, 이는 광학 회절 한계보다 훨씬 작습니다. 또한, 코너 나노 캐비티의 정교한 구조는 조명 필드의 저장 용량을 더욱 향상시켜 특이점 나노 라이저에게 초고 품질 요인과 광학 공동 품질 계수 (즉, 광장에 저장된 에너지의 비율을 제공합니다. 사이클 당 손실 된 에너지)는 백만을 초과 할 수 있습니다.
북경 대학교 팀은 나노 라이저를 기반으로 한 광학 주파수 단계적 배열 기술을 추가로 개발했습니다. 그들은 레이저 어레이에서 각 나노 라이저의 레이싱 파장과 각상을 정확하게 제어함으로써 배열 된 일관성 레이싱 기술의 강력한 잠재력을 성공적으로 입증했습니다. 예를 들어, 팀은이 기술을 사용하여 "P", "K", "U", "U", "China"및 "China"와 같은 패턴으로 광학 주파수 어레이 코 히어 런트 레이싱을 달성하여 통합 광자 공학 분야의 광범위한 응용 전망을 보여줍니다. , 마이크로-나노 광원 어레이 및 광학 통신. (저자 : Ma Renmin, Peking University의 물리학 교수)
