나노레이저는 나노와이어와 같은 나노물질을 공진기로 사용하여 광여기 또는 전기 여기 상태에서 레이저를 방출하는 일종의 마이크로 및 나노 소자입니다. 이 레이저의 크기는 종종 수백 마이크론 또는 수십 마이크론에 불과하며, 직경은 나노미터 단위에 달합니다. 이는 미래 박막 디스플레이, 집적 광학 및 기타 분야에서 중요한 역할을 합니다.
나노레이저의 분류:
1. 나노와이어 레이저
2001년 미국 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 연구진은 머리카락 길이의 1,000분의 1에 불과한 나노광학 와이어를 이용하여 세계에서 가장 작은 레이저인 나노레이저를 개발했습니다. 이 레이저는 자외선 레이저를 방출할 뿐만 아니라, 청색광에서 심자외선까지 다양한 파장의 레이저를 방출하도록 조절할 수 있습니다. 연구진은 지향성 착생(Oriented Epiphytation)이라는 표준 기술을 사용하여 순수 산화아연 결정으로부터 레이저를 개발했습니다. 먼저 나노와이어를 "배양"했습니다. 즉, 직경 20nm에서 150nm의 금층 위에 10,000nm 길이의 순수 산화아연 와이어를 형성했습니다. 그 후, 연구진이 온실에서 다른 레이저를 사용하여 나노와이어 내의 순수 산화아연 결정을 활성화시켰을 때, 순수 산화아연 결정은 파장 17nm의 레이저를 방출했습니다. 이러한 나노레이저는 궁극적으로 화학 물질을 식별하고 컴퓨터 디스크와 광자 컴퓨터의 정보 저장 용량을 향상시키는 데 사용될 수 있습니다.
2. 자외선 나노레이저
마이크로 레이저, 마이크로 디스크 레이저, 마이크로 링 레이저, 양자 눈사태 레이저가 등장한 후, 캘리포니아 대학교 버클리의 화학자 양 페이둥과 그의 동료들은 상온 나노 레이저를 만들었습니다. 이 산화 아연 나노 레이저는 광 여기 하에서 선폭이 0.3nm 미만이고 파장이 385nm인 레이저를 방출할 수 있으며, 이는 세계에서 가장 작은 레이저이자 나노 기술을 사용하여 제조된 최초의 실용적인 장치 중 하나로 간주됩니다. 개발 초기 단계에서 연구진은 이 ZnO 나노 레이저가 제조하기 쉽고 밝기가 높으며 크기가 작으며 성능이 GaN 청색 레이저와 같거나 더 좋을 것으로 예측했습니다. 고밀도 나노 와이어 어레이를 만들 수 있기 때문에 ZnO 나노 레이저는 오늘날의 GaAs 장치로는 불가능한 많은 응용 분야에 진출할 수 있습니다. 이러한 레이저를 성장시키기 위해 에피택셜 결정 성장을 촉진하는 가스 수송 방법으로 ZnO 나노 와이어를 합성합니다. 먼저, 사파이어 기판을 1 nm~3.5 nm 두께의 금 필름 층으로 코팅한 다음 알루미나 보트에 놓고, 재료와 기판을 암모니아 흐름에서 880 ° C ~905 ° C로 가열하여 Zn 증기를 생성한 다음 Zn 증기를 기판으로 운반합니다. 육각형 단면적을 가진 2μm~10μm의 나노와이어가 2min~10min의 성장 과정에서 생성되었습니다. 연구진은 ZnO 나노와이어가 직경 20nm~150nm의 자연 레이저 공동을 형성하고 직경의 대부분(95%)이 70nm~100nm임을 발견했습니다. 나노와이어의 유도 방출을 연구하기 위해 연구진은 Nd:YAG 레이저(266 nm 파장, 3 ns 펄스 폭)의 4차 고조파 출력을 사용하여 온실에서 샘플을 광학적으로 펌핑했습니다. 방출 스펙트럼이 진화하는 동안 펌프 전력이 증가함에 따라 빛이 램핑됩니다. 레이저 출력이 ZnO 나노와이어의 임계값(약 40kW/cm)을 초과하면 방출 스펙트럼에서 가장 높은 지점이 나타납니다. 이 가장 높은 지점의 선폭은 0.3nm 미만으로, 임계값 아래 방출 정점에서 발생하는 선폭보다 1/50 이상 작습니다. 이러한 좁은 선폭과 방출 세기의 빠른 증가를 통해 연구진은 유도 방출이 나노와이어에서 실제로 발생한다는 결론을 내렸습니다. 따라서 이 나노와이어 배열은 자연 공진기 역할을 하여 이상적인 마이크로 레이저 광원이 될 수 있습니다. 연구진은 이 단파장 나노레이저가 광 컴퓨팅, 정보 저장, 나노분석기 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대합니다.
3. 양자 우물 레이저
2010년 전후에는 반도체 칩에 식각되는 선폭이 100nm 이하가 되고, 회로 내에서 움직이는 전자의 수는 소수에 불과하며, 전자의 증감은 회로 동작에 큰 영향을 미치게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 양자우물 레이저가 탄생했습니다. 양자역학에서는 전자의 움직임을 제한하고 양자화하는 퍼텐셜 장을 양자우물이라고 합니다. 이 양자 제약은 반도체 레이저의 활성층에서 양자 에너지 준위를 형성하는 데 사용되며, 에너지 준위 간의 전자 전이가 여기된 레이저의 복사를 지배하게 되는데, 이것이 바로 양자우물 레이저입니다. 양자우물 레이저에는 양자선 레이저와 양자점 레이저, 두 가지 종류가 있습니다.
① 양자선 레이저
과학자들은 기존 레이저보다 1,000배 더 강력한 양자선 레이저를 개발하여 더 빠른 컴퓨터와 통신 장치 개발에 큰 진전을 이루었습니다. 광섬유 네트워크를 통해 오디오, 비디오, 인터넷 및 기타 통신 수단의 속도를 높일 수 있는 이 레이저는 예일대학교, 뉴저지주 루슨트 테크놀로지스 벨 연구소, 그리고 독일 드레스덴 막스 플랑크 물리학 연구소의 과학자들이 공동으로 개발했습니다. 이러한 고출력 레이저는 통신선을 따라 80km(50마일)마다 설치되는 값비싼 중계기의 필요성을 줄여, 광섬유를 통과할 때 강도가 약한 레이저 펄스(중계기)를 생성합니다.
게시 시간: 2023년 6월 15일