नॅनोलॅझर्सची संकल्पना आणि वर्गीकरण

नॅनोलेझर हे एक प्रकारचे सूक्ष्म आणि नॅनो उपकरण आहे, जे रेझोनेटर म्हणून नॅनोवायरसारख्या नॅनोमटेरियलपासून बनवलेले असते आणि प्रकाश-उत्तेजन किंवा विद्युत-उत्तेजनाखाली लेझर उत्सर्जित करू शकते. या लेझरचा आकार अनेकदा फक्त काही शेकडो मायक्रॉन किंवा अगदी काही दहा मायक्रॉन असतो आणि त्याचा व्यास नॅनोमीटरच्या श्रेणीपर्यंत असतो. हे भविष्यातील थिन फिल्म डिस्प्ले, इंटिग्रेटेड ऑप्टिक्स आणि इतर क्षेत्रांचा एक महत्त्वाचा भाग आहे.

नॅनोलेझरचे वर्गीकरण:

१. नॅनोवायर लेझर

२००१ मध्ये, अमेरिकेतील कॅलिफोर्निया विद्यापीठ, बर्कले येथील संशोधकांनी, मानवी केसाच्या लांबीच्या केवळ एक-हजारव्या भागाएवढ्या लांबीच्या नॅनोऑप्टिक वायरवर जगातील सर्वात लहान लेझर – नॅनोलेझर्स – तयार केले. हा लेझर केवळ अतिनील किरणेच उत्सर्जित करत नाही, तर त्याला निळ्या रंगापासून ते गडद अतिनील रंगापर्यंतची किरणे उत्सर्जित करण्यासाठी समायोजित (ट्यून्ड) देखील केले जाऊ शकते. संशोधकांनी शुद्ध झिंक ऑक्साईडच्या स्फटिकांपासून हा लेझर तयार करण्यासाठी 'ओरिएंटेड एपिफायटेशन' नावाच्या एका प्रमाणित तंत्राचा वापर केला. त्यांनी प्रथम नॅनोवायर्स 'संवर्धित' केले, म्हणजेच सोन्याच्या थरावर २० ते १५० नॅनोमीटर व्यासाच्या आणि १०,००० नॅनोमीटर लांबीच्या शुद्ध झिंक ऑक्साईडच्या तारा तयार केल्या. त्यानंतर, जेव्हा संशोधकांनी हरितगृहाखाली दुसऱ्या लेझरने नॅनोवायर्समधील शुद्ध झिंक ऑक्साईडच्या स्फटिकांना सक्रिय केले, तेव्हा त्या स्फटिकांनी केवळ १७ नॅनोमीटर तरंगलांबीचा लेझर उत्सर्जित केला. अशा नॅनोलेझर्सचा उपयोग भविष्यात रसायने ओळखण्यासाठी आणि संगणकाच्या डिस्क व फोटोनिक संगणकांची माहिती साठवण क्षमता सुधारण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

२. अल्ट्राव्हायोलेट नॅनोलेझर

मायक्रो-लेझर्स, मायक्रो-डिस्क लेझर्स, मायक्रो-रिंग लेझर्स आणि क्वांटम अव्हॅलेंच लेझर्सच्या आगमनानंतर, बर्कले येथील कॅलिफोर्निया विद्यापीठातील रसायनशास्त्रज्ञ यांग पेईडोंग आणि त्यांच्या सहकाऱ्यांनी सामान्य तापमानावर चालणारे नॅनोलेझर्स बनवले. हा झिंक ऑक्साईड नॅनोलेझर प्रकाशाच्या उत्तेजनाखाली ०.३ नॅनोमीटरपेक्षा कमी रुंदीचा आणि ३८५ नॅनोमीटर तरंगलांबीचा लेझर उत्सर्जित करू शकतो, जो जगातील सर्वात लहान लेझर आणि नॅनोतंत्रज्ञान वापरून तयार केलेल्या पहिल्या व्यावहारिक उपकरणांपैकी एक मानला जातो. विकासाच्या सुरुवातीच्या टप्प्यात, संशोधकांनी असा अंदाज वर्तवला होता की हा ZnO नॅनोलेझर तयार करण्यास सोपा, उच्च तेजस्वी, लहान आकाराचा आहे आणि त्याची कार्यक्षमता GaN ब्लू लेझर्सच्या बरोबरीची किंवा त्याहूनही चांगली आहे. उच्च-घनतेचे नॅनोवायर अॅरे बनवण्याच्या क्षमतेमुळे, ZnO नॅनोलेझर्स अशा अनेक अनुप्रयोगांमध्ये प्रवेश करू शकतात जे आजच्या GaAs उपकरणांद्वारे शक्य नाहीत. असे लेझर्स वाढवण्यासाठी, ZnO नॅनोवायरचे संश्लेषण गॅस ट्रान्सपोर्ट पद्धतीने केले जाते, जे एपिटॅक्सियल क्रिस्टल वाढीस उत्प्रेरित करते. सर्वप्रथम, सफायर सब्सट्रेटवर १ nm ते ३.५ nm जाडीच्या सोन्याच्या फिल्मचा थर चढवला जातो आणि नंतर ते ॲल्युमिना बोटीवर ठेवले जाते. पदार्थ आणि सब्सट्रेटला अमोनियाच्या प्रवाहात ८८०°C ते ९०५°C पर्यंत गरम करून झिंक (Zn) वाफ तयार केली जाते आणि नंतर ही झिंक वाफ सब्सट्रेटवर पोहोचवली जाते. २ मिनिटे ते १० मिनिटांच्या या वाढ प्रक्रियेत, षटकोनी छेद क्षेत्रफळ असलेले २ μm ते १० μm आकाराचे नॅनोवायर तयार झाले. संशोधकांना असे आढळले की, झिंक ऑक्साईड (ZnO) नॅनोवायर २० nm ते १५० nm व्यासाची एक नैसर्गिक लेझर कॅव्हिटी तयार करते आणि त्यातील बहुतेक (९५%) भागाचा व्यास ७० nm ते १०० nm असतो. नॅनोवायरच्या उत्तेजित उत्सर्जनाचा अभ्यास करण्यासाठी, संशोधकांनी ग्रीनहाऊसमध्ये नमुन्याला Nd:YAG लेसरच्या (२६६ nm तरंगलांबी, ३ ns पल्स रुंदी) चौथ्या हार्मोनिक आउटपुटद्वारे ऑप्टिकली पंप केले. उत्सर्जन स्पेक्ट्रमच्या विकासादरम्यान, पंप पॉवर वाढल्याने प्रकाश लॅम्ड होतो. जेव्हा लेझिंग ZnO नॅनोवायरच्या थ्रेशोल्डपेक्षा (सुमारे ४०kW/cm) जास्त होते, तेव्हा उत्सर्जन स्पेक्ट्रममध्ये सर्वोच्च बिंदू दिसून येतो. या सर्वोच्च बिंदूंची रेषा रुंदी ०.३nm पेक्षा कमी आहे, जी थ्रेशोल्डच्या खालील उत्सर्जन व्हर्टेक्सपासूनच्या रेषा रुंदीपेक्षा १/५० पटीने कमी आहे. या अरुंद रेषा रुंदी आणि उत्सर्जन तीव्रतेतील जलद वाढीमुळे संशोधकांनी असा निष्कर्ष काढला की या नॅनोवायरमध्ये उत्तेजित उत्सर्जन खरोखरच घडते. त्यामुळे, ही नॅनोवायर अॅरे नैसर्गिक रेझोनेटर म्हणून काम करू शकते आणि अशा प्रकारे एक आदर्श मायक्रो लेझर स्रोत बनू शकते. संशोधकांचा विश्वास आहे की या कमी-तरंगलांबीच्या नॅनोलेझरचा उपयोग ऑप्टिकल कंप्युटिंग, माहिती साठवणूक आणि नॅनोॲनालायझर या क्षेत्रांमध्ये केला जाऊ शकतो.

३. क्वांटम वेल लेझर्स

२०१० पूर्वी आणि नंतर, सेमीकंडक्टर चिपवर कोरलेल्या रेषेची रुंदी १०० नॅनोमीटर किंवा त्याहून कमी झाली, आणि सर्किटमध्ये फक्त काही इलेक्ट्रॉन फिरत होते, आणि एका इलेक्ट्रॉनच्या वाढीचा आणि घटीचा सर्किटच्या कार्यावर मोठा परिणाम झाला. ही समस्या सोडवण्यासाठी क्वांटम वेल लेझर्सचा जन्म झाला. क्वांटम मेकॅनिक्समध्ये, जे संभाव्य क्षेत्र इलेक्ट्रॉनच्या गतीला मर्यादित करते आणि त्यांना क्वांटाइज करते, त्याला क्वांटम वेल म्हणतात. या क्वांटम बंधनाचा उपयोग सेमीकंडक्टर लेझरच्या सक्रिय थरात क्वांटम ऊर्जा स्तर तयार करण्यासाठी केला जातो, जेणेकरून ऊर्जा स्तरांमधील इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण लेझरच्या उत्तेजित प्रारणावर वर्चस्व गाजवते, ज्याला क्वांटम वेल लेझर म्हणतात. क्वांटम वेल लेझर्सचे दोन प्रकार आहेत: क्वांटम लाइन लेझर्स आणि क्वांटम डॉट लेझर्स.

① क्वांटम लाइन लेझर

शास्त्रज्ञांनी पारंपरिक लेझरपेक्षा १००० पट अधिक शक्तिशाली क्वांटम वायर लेझर विकसित केले आहेत, ज्यामुळे वेगवान संगणक आणि दळणवळण उपकरणे तयार करण्याच्या दिशेने एक मोठे पाऊल टाकले गेले आहे. फायबर-ऑप्टिक नेटवर्कवर ऑडिओ, व्हिडिओ, इंटरनेट आणि इतर प्रकारच्या दळणवळणाचा वेग वाढवू शकणारा हा लेझर, येल विद्यापीठ, न्यू जर्सीमधील ल्युसेंट टेक्नॉलॉजीज बेल लॅब्स आणि जर्मनीतील ड्रेसडेन येथील मॅक्स प्लँक इन्स्टिट्यूट फॉर फिजिक्स येथील शास्त्रज्ञांनी विकसित केला आहे. या अधिक शक्तिशाली लेझरमुळे महागड्या रिपीटर्सची गरज कमी होईल. हे रिपीटर्स दळणवळण मार्गावर दर ८० किमी (५० मैल) अंतरावर बसवले जातात आणि फायबरमधून (रिपीटर्समधून) प्रवास करताना कमी तीव्रतेचे लेझर पल्स तयार करतात.