नॅनोलेसरची संकल्पना आणि वर्गीकरण

नॅनोलॅसर हे एक प्रकारचे सूक्ष्म आणि नॅनो उपकरण आहे जे रेझोनेटर म्हणून नॅनोवायर सारख्या नॅनोमटेरियलपासून बनलेले असते आणि फोटोएक्सिटेशन किंवा इलेक्ट्रिकल एक्सिटेशन अंतर्गत लेसर उत्सर्जित करू शकते. या लेसरचा आकार बहुतेकदा फक्त शेकडो मायक्रॉन किंवा दहा मायक्रॉन असतो आणि व्यास नॅनोमीटरच्या क्रमापर्यंत असतो, जो भविष्यातील पातळ फिल्म डिस्प्ले, एकात्मिक ऑप्टिक्स आणि इतर क्षेत्रांचा एक महत्त्वाचा भाग आहे.

नॅनोलेसरचे वर्गीकरण:

१. नॅनोवायर लेसर

२००१ मध्ये, अमेरिकेतील बर्कले येथील कॅलिफोर्निया विद्यापीठातील संशोधकांनी मानवी केसांच्या लांबीच्या फक्त एक हजारव्या भागावर असलेल्या नॅनोऑप्टिक वायरवर जगातील सर्वात लहान लेसर - नॅनोलेसर्स - तयार केले. हे लेसर केवळ अल्ट्राव्हायोलेट लेसर उत्सर्जित करत नाही तर निळ्या ते खोल अल्ट्राव्हायोलेट पर्यंतच्या लेसर उत्सर्जित करण्यासाठी देखील ट्यून केले जाऊ शकते. संशोधकांनी शुद्ध झिंक ऑक्साईड क्रिस्टल्सपासून लेसर तयार करण्यासाठी ओरिएंटेड एपिफायटेशन नावाच्या मानक तंत्राचा वापर केला. त्यांनी प्रथम नॅनोवायर "संस्कृत" केले, म्हणजेच २०nm ते १५०nm व्यासाच्या आणि १०,००० nm लांबीच्या शुद्ध झिंक ऑक्साईड वायर्सच्या सोन्याच्या थरावर तयार केले. त्यानंतर, जेव्हा संशोधकांनी ग्रीनहाऊसखाली दुसऱ्या लेसरसह नॅनोवायरमधील शुद्ध झिंक ऑक्साईड क्रिस्टल्स सक्रिय केले, तेव्हा शुद्ध झिंक ऑक्साईड क्रिस्टल्सने फक्त १७nm तरंगलांबी असलेला लेसर उत्सर्जित केला. अशा नॅनोलेसर्सचा वापर अखेर रसायने ओळखण्यासाठी आणि संगणक डिस्क आणि फोटोनिक संगणकांची माहिती साठवण क्षमता सुधारण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

२. अल्ट्राव्हायोलेट नॅनोलेसर

मायक्रो-लेसर, मायक्रो-डिस्क लेसर, मायक्रो-रिंग लेसर आणि क्वांटम अ‍ॅव्हलॅन्च लेसरच्या आगमनानंतर, कॅलिफोर्निया विद्यापीठ, बर्कले येथील रसायनशास्त्रज्ञ यांग पेइडोंग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी खोलीच्या तापमानात नॅनोलेसर बनवले. हे झिंक ऑक्साईड नॅनोलेसर प्रकाश उत्तेजनाखाली 0.3nm पेक्षा कमी लाइनविड्थ आणि 385nm तरंगलांबी असलेले लेसर उत्सर्जित करू शकते, जे जगातील सर्वात लहान लेसर मानले जाते आणि नॅनोटेक्नॉलॉजी वापरून बनवलेल्या पहिल्या व्यावहारिक उपकरणांपैकी एक आहे. विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, संशोधकांनी भाकीत केले की हे ZnO नॅनोलेसर तयार करणे सोपे आहे, उच्च चमक, लहान आकाराचे आहे आणि त्याची कार्यक्षमता GaN ब्लू लेसरच्या बरोबरीची किंवा त्याहूनही चांगली आहे. उच्च-घनता नॅनोवायर अॅरे बनवण्याच्या क्षमतेमुळे, ZnO नॅनोलेसर अनेक अनुप्रयोगांमध्ये प्रवेश करू शकतात जे आजच्या GaAs उपकरणांसह शक्य नाहीत. असे लेसर वाढवण्यासाठी, ZnO नॅनोवायर गॅस ट्रान्सपोर्ट पद्धतीने संश्लेषित केले जाते जे एपिटॅक्सियल क्रिस्टल वाढीस उत्प्रेरित करते. प्रथम, नीलमणी सब्सट्रेटला १ nm~३.५nm जाडीच्या सोन्याच्या फिल्मच्या थराने लेपित केले जाते आणि नंतर ते अॅल्युमिना बोटवर ठेवले जाते, Zn स्टीम तयार करण्यासाठी अमोनिया प्रवाहात पदार्थ आणि सब्सट्रेट ८८० °C ~९०५ °C पर्यंत गरम केले जाते आणि नंतर Zn स्टीम सब्सट्रेटमध्ये वाहून नेले जाते. २ मिनिट~१० मिनिटांच्या वाढीच्या प्रक्रियेत २μm~१०μm चे षटकोनी क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र असलेले नॅनोवायर तयार झाले. संशोधकांना आढळले की ZnO नॅनोवायर २०nm ते १५०nm व्यासासह एक नैसर्गिक लेसर पोकळी बनवते आणि त्याचा बहुतेक (९५%) व्यास ७०nm ते १००nm आहे. नॅनोवायरच्या उत्तेजित उत्सर्जनाचा अभ्यास करण्यासाठी, संशोधकांनी Nd:YAG लेसरच्या चौथ्या हार्मोनिक आउटपुटसह (२६६nm तरंगलांबी, ३ns पल्स रुंदी) ग्रीनहाऊसमध्ये नमुना ऑप्टिकली पंप केला. उत्सर्जन स्पेक्ट्रमच्या उत्क्रांती दरम्यान, पंप पॉवरच्या वाढीसह प्रकाश कमी होतो. जेव्हा लेसिंग ZnO नॅनोवायरच्या उंबरठ्यापेक्षा (सुमारे 40kW/cm) जास्त असेल, तेव्हा उत्सर्जन स्पेक्ट्रममध्ये सर्वोच्च बिंदू दिसून येईल. या सर्वोच्च बिंदूंची रेषा रुंदी 0.3nm पेक्षा कमी आहे, जी उंबरठ्याच्या खाली असलेल्या उत्सर्जन शिरोबिंदूपासून रेषा रुंदीपेक्षा 1/50 पेक्षा जास्त कमी आहे. या अरुंद रेषारुंदी आणि उत्सर्जन तीव्रतेत जलद वाढ यामुळे संशोधकांना असा निष्कर्ष काढण्यास मदत झाली की या नॅनोवायरमध्ये उत्तेजित उत्सर्जन खरोखरच होते. म्हणून, हे नॅनोवायर अॅरे नैसर्गिक रेझोनेटर म्हणून काम करू शकते आणि अशा प्रकारे एक आदर्श सूक्ष्म लेसर स्रोत बनू शकते. संशोधकांचा असा विश्वास आहे की हे लघु-तरंगलांबी नॅनोलेसर ऑप्टिकल संगणन, माहिती संग्रहण आणि नॅनोअ‍ॅनालायझरच्या क्षेत्रात वापरले जाऊ शकते.

३. क्वांटम वेल लेसर

२०१० च्या आधी आणि नंतर, सेमीकंडक्टर चिपवर कोरलेली रेषेची रुंदी १०० नॅनोमीटर किंवा त्यापेक्षा कमी होईल आणि सर्किटमध्ये फक्त काही इलेक्ट्रॉनच हालचाल करतील आणि इलेक्ट्रॉनची वाढ आणि घट सर्किटच्या ऑपरेशनवर मोठा परिणाम करेल. या समस्येचे निराकरण करण्यासाठी, क्वांटम वेल लेसरचा जन्म झाला. क्वांटम मेकॅनिक्समध्ये, इलेक्ट्रॉनची गती मर्यादित करणारे आणि त्यांचे परिमाण निश्चित करणारे संभाव्य क्षेत्र क्वांटम वेल म्हणतात. या क्वांटम कंस्ट्रेंटचा वापर सेमीकंडक्टर लेसरच्या सक्रिय थरात क्वांटम ऊर्जा पातळी तयार करण्यासाठी केला जातो, जेणेकरून ऊर्जा पातळींमधील इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण लेसरच्या उत्तेजित रेडिएशनवर वर्चस्व गाजवते, जे क्वांटम वेल लेसर आहे. क्वांटम वेल लेसरचे दोन प्रकार आहेत: क्वांटम लाइन लेसर आणि क्वांटम डॉट लेसर.

① क्वांटम लाइन लेसर

शास्त्रज्ञांनी पारंपारिक लेसरपेक्षा १००० पट जास्त शक्तिशाली असलेले क्वांटम वायर लेसर विकसित केले आहेत, ज्यामुळे जलद संगणक आणि संप्रेषण उपकरणे तयार करण्याच्या दिशेने एक मोठे पाऊल उचलले आहे. फायबर-ऑप्टिक नेटवर्कवर ऑडिओ, व्हिडिओ, इंटरनेट आणि इतर प्रकारच्या संप्रेषणाचा वेग वाढवू शकणारे लेसर येल विद्यापीठ, न्यू जर्सीमधील ल्यूसेंट टेक्नॉलॉजीज बेल लॅब्स आणि जर्मनीतील ड्रेस्डेनमधील मॅक्स प्लँक इन्स्टिट्यूट फॉर फिजिक्स येथील शास्त्रज्ञांनी विकसित केले आहे. हे उच्च-शक्तीचे लेसर महागड्या रिपीटर्सची गरज कमी करतील, जे कम्युनिकेशन लाईनवर दर ८० किमी (५० मैल) स्थापित केले जातात, पुन्हा फायबरमधून प्रवास करताना कमी तीव्रतेचे लेसर पल्स तयार करतात (रिपीटर्स).