تستخدم الليزر على نطاق واسع في الاتصالات والتصوير الطبي والجراحة والإلكترونيات الاستهلاكية وغيرها من المجالات ، وتغير حياة الناس بعمق. في السنوات الأخيرة ، من أجل جعل حجم الليزر أصغر ، قام العلماء بتطوير نانولز ، مما لا يعزز فقط التصغير وتكامل الأجهزة الضوئية ، ولكن أيضًا يفتحون مسارات جديدة لدراسة التفاعل بين الضوء والمادة في ظل الظروف القاسية. تبدأ هذه المقالة بتوليد الضوء وتأخذك لاستكشاف عالم النانول في العمق.
في مجال تكنولوجيا المعلومات ، تعد الترانزستورات والليزر مكونين أساسيين. عززت تصغير الترانزستورات التطور السريع للرقائق الإلكترونية وأنتج قانون مور المعروف - فإن عدد الترانزستورات التي يمكن استيعابها على دائرة متكاملة سوف يتضاعف كل 18 شهرًا أو نحو ذلك. دفع هذا الاتجاه حجم الترانزستورات الأكثر تقدما إلى مستوى نانومتر. في الوقت الحاضر ، يمكن دمج أكثر من 10 مليارات ترانزستورات في الهاتف المحمول والبطاطا التي يستخدمها الجمهور ، مما يمنح هذه الأجهزة إمكانيات معالجة المعلومات القوية وتعزيز وصول العصر الرقمي والذكي. في الوقت نفسه ، أثارت تصغير الليزر ثورة في التكنولوجيا الضوئية. بعد أكثر من نصف قرن من التنمية ، تم استخدام الليزر المصغر على أشباه الموصلات على نطاق واسع في الاتصالات وتخزين البيانات والتصوير الطبي والجراحة والاستشعار والقياس والإلكترونيات الاستهلاكية والتصنيع الإضافي والعرض والإضاءة وغيرها من الحقول.
يعد تحجيم الليزر أكثر صعوبة من الترانزستورات لأنها تعتمد على جسيمات مجهرية مختلفة تمامًا تعتمد على الإلكترونات ، بينما تعتمد الليزر على الفوتونات. في النطاقات المرئية والقريبة من الأشعة تحت الحمراء ، تعد أطوال موجات الفوتون أعلى من ثلاثة أوامر أعلى من الأطوال الموجية للإلكترونات في الترانزستورات. مع مراعاة حد الحيود ، فإن الحد الأدنى لحجم الوضع الذي يمكن فيه ضغط هذه الفوتونات هو حوالي تسعة أوامر من حيث الحجم ، أو مليار مرة ، أكبر من الإلكترونات في الترانزستور. التحدي الأساسي في بناء الليزر النانوي هو كيفية اختراق حد الحيود و "ضغط" حجم الفوتونات إلى الحد. لن يؤدي التغلب على هذه المشكلة إلى تعزيز تطوير التكنولوجيا الضوئية بشكل كبير فحسب ، بل سيؤدي أيضًا إلى ظهور العديد من سيناريوهات التطبيق الجديدة. تخيل أنه عندما يمكن معالجة الفوتونات ، مثل الإلكترونات ، بمرونة على مقياس نانومتر ، يمكننا استخدام الضوء لمراقبة التركيب الدقيق للحمض النووي مباشرة ، ويمكننا أيضًا إنشاء رقائق متكاملة للبصريات واسعة النطاق ، وسرعة معالجة المعلومات وكفاءتها تكون محسنة بشكل كبير.
في السنوات الأخيرة ، من خلال البلازمونات السطحية وآليات توطين حقل ضوء النقطة المفردة ، تجاوز حجم وضع الليزر الحد الأقصى للحيود البصري ودخل المجلد النانوي ، مما أدى إلى ظهور النانول.
1. افتح الباب المشرق لاستكشاف المجهول
في الطبيعة ، يتم توليد الضوء بطريقتين: الإشعاع التلقائي والإشعاع المحفز.
الإشعاع التلقائي هو عملية رائعة. حتى في الظلام الكامل وبدون أي فوتونات خارجية ، يمكن أن تنبعث المسألة الضوء من تلقاء نفسها. هذا لأن الفراغ ليس "فارغًا" حقًا. وهي مليئة بتقلبات طاقة صغيرة ، تسمى طاقة الفراغ الصفر. يمكن أن تتسبب طاقة الفراغ الصفر في الفوتونات في إطلاق الفوتونات. على سبيل المثال ، إضاءة شمعة تنتج على ضوء الشموع. يمكن إرجاع تاريخ الاستخدام البشري للنار إلى أكثر من مليون عام. جلبت النار الضوء والدفء إلى أسلاف الإنسان وفتحوا فصل الحضارة. النيران والمصابيح المتوهجة كلاهما مصادر إشعاعية عفوية. يحترقون أو يسخنون لوضع الإلكترونات في حالة عالية الطاقة ، ثم يطلقون فوتونات تحت عمل طاقة الفراغ الصفر لإلقاء الضوء على العالم.
يكشف الإشعاع المحفز عن تفاعل أعمق بين الضوء والمادة. عندما يمر فوتون خارجي من خلال مادة في حالة متحمسة ، فإنه يؤدي إلى إطلاق فوتون جديد تمامًا مثل الفوتون الحادث. هذا الفوتون "نسخ" يجعل شعاع الضوء للغاية اتجاهيًا ومتسقًا ، وهو الليزر الذي نتعرف عليه. على الرغم من أن اختراع الليزر منذ أقل من قرن من الزمان ، إلا أنه سرعان ما تم دمجه في الحياة العامة ، مما أدى إلى تغييرات في اهتمام الأرض.
لقد فتح اختراع الليزر بابًا مشرقًا للبشرية لاستكشاف المجهول. يوفر لنا أدوات قوية ويعزز بشكل كبير تطور الحضارة الحديثة. في مجال المعلومات والاتصالات ، جعلت الليزر اتصالات عالية السرعة من الألياف البصرية حقيقة وجعلت التوصيل العالمي ممكنًا. في الرعاية الطبية ، تتميز جراحة الليزر بدقة عالية وأحد الغزو الحد الأدنى ، مما يوفر للمرضى طرق علاج أكثر أمانًا وفعالية. في التصنيع الصناعي ، يعمل قطع الليزر واللحام على تحسين كفاءة الإنتاج ودقة المنتج ، مما يسمح للأشخاص بإنشاء آلات ومعدات أكثر تطوراً. في الأبحاث العلمية ، تعد الليزر أدوات رئيسية للكشف عن موجات الجاذبية وتكنولوجيا المعلومات الكمومية ، مما يساعد العلماء على اكتشاف أسرار الكون.
من طباعة الليزر والجمال الطبي في الحياة اليومية إلى الانصهار النووي الخاضع للرقابة ، ورادار الليزر وأسلحة الليزر في التكنولوجيا المتطورة ، فإن الليزر في كل مكان وله تأثير عميق على تطور العالم. لم يغير طريقة حياتنا فحسب ، بل وسع أيضًا قدرة البشر على فهم الطبيعة وتحويلها.
2. أدوات قوية لفهم وتسخير الطبيعة
مستوحى من قانون الإشعاع الأسود في بلانك ، اقترح أينشتاين مفهوم الإشعاع المحفز في عام 1917 ، ووضع هذا الاكتشاف الأساس للاختراع من الليزر. في عام 1954 ، أبلغ العلماء الأمريكيون تاونز وآخرون أولاً عن مذبذب الميكروويف الذي يدركه الإشعاع المحفز ، وهو مازير ميكروويف. لقد استخدموا جزيئات الأمونيا متحمسة كوسائط كسب واستخدموا تجويف الرنين في الميكروويف حوالي 12 سم لتوفير التعليقات ، وإدراك ماسيرات الميكروويف بطول موجة يبلغ حوالي 12.56 سم. يُعتبر Microwave Maser سلفًا للليزر ، ولكن يمكن أن ينتج الليزر إشعاعًا متماسكًا بتردد أعلى ، مع مزايا مثل الحجم الأصغر ، والكثافة العالية ، وقدرة حمل المعلومات العالية.
في عام 1960 ، اخترع العالم الأمريكي ميمان أول ليزر. لقد استخدم قضيبًا روبيًا حوالي 1 سم طالما كان الوسيط ، وكان طرفي القضيب مطليين بالفضة ليكونوا عاكسات لتوفير ردود فعل بصرية. تحت إثارة مصباح الفلاش ، أنتج الجهاز إخراج الليزر بطول موجة قدره 694.3 نانومتر. تجدر الإشارة إلى أن حجم Microwave Maser هو بنفس ترتيب حجم الطول الموجي. وفقًا لهذه العلاقة النسبية ، يجب أن يكون حجم الليزر حوالي 700 نانومتر. ومع ذلك ، كان حجم الليزر الأول أكبر من هذا ، بأكثر من 4 أوامر من الحجم. استغرق الأمر حوالي 30 عامًا لتقليص الليزر بحجم مماثل للطول الموجي ، واستغرق الأمر نصف قرن لاختراق الحد من الطول الموجي وتحقيق الليزر في الطول الموجي العميق.
بالمقارنة مع مصادر الضوء العادية ، تتركز الطاقة الإشعاعية لمازاريات الميكروويف والليزر في نطاق تردد ضيق للغاية. لذلك ، يمكن اعتبار هذين الاختراعين توطين الموجات الكهرومغناطيسية في مساحة التردد من خلال الإشعاع المحفز. يمكن أيضًا استخدام الإشعاع المحفز لتوطين الموجات الكهرومغناطيسية في الوقت والزخم والفضاء. من خلال توطين الموجات الكهرومغناطيسية في هذه الأبعاد ، يمكن لمصادر الضوء بالليزر تحقيق تذبذبات تردد مستقرة للغاية ، ونبضات فائقة القصة ، والاتجاهات العالية وأحجام الوضع الصغيرة للغاية ، والتي تمكننا من قياس الوقت بدقة ، ومراقبة الحركة السريعة ، والمعلومات المرسل والطاقة على المسافات الطويلة. ، حقق تصغير الجهاز ، والحصول على دقة تصوير أعلى.
منذ ظهور الليزر ، كان الناس يتابعون باستمرار توطين أقوى لحقول الضوء في أبعاد مثل التردد والوقت والزخم والفضاء ، وتعزيز التطور السريع لأبحاث الفيزياء الليزر وأجهزة الليزر ، مما يجعل الليزر أداة قوية لفهم واستخدام الطبيعة .
في بُعد التردد ، من خلال التجويف عالي الجودة ، والتحكم في التغذية المرتدة والعزلة البيئية ، يمكن للليزر الحفاظ على ترددات مستقرة للغاية ، مما يعزز الاختراقات في العديد من الأبحاث العلمية الرئيسية ، مثل تكثيف بوس-إيينشتاين (2001 جائزة نوبل في الفيزياء) ، التحليل الطيفي للليزر الدقيق ( 2005 جائزة نوبل في الفيزياء) والكشف عن الموجة الجاذبية (2017 جائزة نوبل في الفيزياء).
في البعد الزمني ، تجعل تكنولوجيا قفل الوضع وتكنولوجيا التوئين العالي الترتيب نبضات بالليزر Ultrashort حقيقة واقعة. من خلال توطين الوقت القصير ، يمكن أن تنتج ليزر Attosecond نبضات ضوئية تدوم فقط حوالي دورة بصرية واحدة. هذا الاختراق يجعل من الممكن مراقبة العمليات الفائقة مثل حركة الإلكترونات في الطبقة الداخلية من الذرات ، وفاز بجائزة نوبل 2023 في الفيزياء.
في بُعد الزخم ، حقق تطوير الليزر أحادي الوضع في منطقة كبيرة درجة عالية من توطين حقل الضوء في مساحة الزخم ، مما يجعل شعاع الليزر اتجاهيًا للغاية. من المتوقع أن يعزز الليزر الناتج بشكل كبير تطوير الاتصالات البصرية عالية السرعة بين النجوم.
في البعد المكاني ، يسمح إدخال البلازونات السطحية وآليات توطين حقل الضوء المفرد لحجم وضع الليزر باختراق حد الحيود البصري والوصول إلى مقياس أقل من (λ/2n) 3 (حيث λ هو الطول الموجي لضوء الفضاء الحرة و N هو مؤشر الانكسار للمادة) ، وبالتالي تولد النانول. إن ظهور النانولز له أهمية بعيدة المدى لبدء تكنولوجيا المعلومات ودراسة التفاعل بين الضوء والمادة في ظل الظروف القاسية.
3. كسر الحد من الحيود البصري
بعد مرور أكثر من 30 عامًا على اختراع الليزر ، مع تقدم تقنية التصوير الدقيق وفهم أعمق لأبحاث الفيزياء الليزر وأجهزة الليزر ، تم تطوير أنواع مختلفة من ليزر المواقف الدقيقة واحدة تلو ، الليزر الكريستال الضوئي وأشعة الليزر nanowire. في عام 1992 ، نجحت Bell Laboratories في الولايات المتحدة في تحقيق أول ليزر في المخاطر الدقيقة ، باستخدام وضع معرض Whispering في القرص الصغير للسماح للضوء بالانعكاس مرارًا وتكرارًا في المخاطر الصغيرة ، وتوليد ردود فعل رنين وتحقيق الليزر. في عام 1999 ، أدرك معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في الولايات المتحدة أول ليزر عيب الكريستال الضوئي عن طريق إدخال عيوب النقطة في بلورات ضوئية ثنائية الأبعاد لتقييد الضوء. في عام 2001 ، نجحت جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، في تحقيق أشباه أشباه الموصلات النانوية لأول مرة باستخدام الوجه النهائي لأسلاك النانو كعاكسة. تقلل هذه الليزر من حجم الميزة بترتيب طول موجة فراغ واحد ، ولكن بسبب قيود الحد الأقصى للحيود البصري ، يصعب تقليص هذه الليزر القائمة على الرنين العازلة.
في الهندسة ، يكون طول الجانب الأيمن من المثلث الأيمن أقل من طول السطح. على مقياس مجهري ، لكسر حد الحيود ، يجب أن يكون طول الجانبين الأيمن أكثر من نقص الخواص. في عام 2009 ، أدركت ثلاثة فرق في العالم أولاً من النانولات البلازمية التي اخترقت الحد الأقصى للحيود البصري. من بينهم ، أدرك فريق جامعة كاليفورنيا ، وبيركلي وجامعة بكين ، نانولًا من البلازمينة على أساس هيكل معادن للمعادن شبه الأبعاد أحادية البعد ؛ طور فريق جامعة إيندهوفن للتكنولوجيا في هولندا وجامعة ولاية أريزونا في الولايات المتحدة نانولًا من البلازميك على أساس هيكل مسطح من ثلاث طبقات للمعادن المعدنية. أظهر فريق جامعة ولاية نورفولك وجامعة بوردو في الولايات المتحدة عبارة عن بنية نانول نانول بنية أساسية استنادًا إلى قذيفة متوسطة مكتسبة من المعادن المستندة إلى صدى البلازما السطحي الموضعي.
وبعبارة أخرى ، من خلال إدخال وحدات وهمية في معادلة التشتت ، قام العلماء بالفعل ببناء مثلث خاص مع جانب زجد يمينًا أطول من السطوح. هذا المثلث الخاص هو الذي يسمح لنا بتحقيق توطين حقل ضوئي أقوى جسديًا.
بعد أكثر من 10 سنوات من التطوير ، أظهرت نانولز Plasmon خصائص ممتازة مثل حجم الوضع الصغير للغاية ، وسرعة تعديل الفائق السرعة وانخفاض استهلاك الطاقة. ومع ذلك ، بالمقارنة مع المواد العازلة ، على الرغم من أن البلازمون يؤثر على الأزواج في مجال الضوء مع التذبذب الجماعي للإلكترونات الحرة في المعادن لتحقيق توطين حقل ضوئي أقوى ، فإن هذا الاقتران يقدم أيضًا خسائر أومية متأصلة ، مما يؤدي إلى توليد الحرارة ، مما يزيد بدوره من قوة الجهاز الاستهلاك ويحد من وقت التماسك.
في عام 2024 ، اقترح فريق جامعة بكين معادلة تشتت تفرد جديدة ، وكشف عن خصائص تشتت النانوية النانوية القوية الكاملة. من خلال تضمين النانويين القوس في بنية الزاوية النانوية التي اقترحها فريق جامعة بكين ، تم تحقيق نانول نانوي عازلة متفرغ يكسر الحد الأقصى للحيود البصري في نظام عازلة للمرة الأولى. يسمح هذا التصميم الهيكلي لضغوط حقل الضوء إلى أقصى الحدود ، ويمكن أن يصل نظريًا إلى حجم الوضع الصغير بلا حدود ، وهو أصغر بكثير من حد الحيود البصري. بالإضافة إلى ذلك ، يعزز الهيكل المتطور للزاوية النانوية سعة تخزين الحقل الخفيف ، مما يمنح Nanolaser التفرد عامل جودة عالية للغاية ، وعامل جودة التجويف البصري (أي ، نسبة الطاقة المخزنة في التجويف البصري إلى الطاقة المفقودة في الدورة) يمكن أن تتجاوز مليون.
قام فريق جامعة بكين بتطوير تقنية الصفيف المرحلية للتردد البصري على أساس النانول. لقد أظهروا بنجاح الإمكانات القوية لتكنولوجيا الليزر المتماسكة المتماسكة من خلال التحكم بدقة في الطول الموجي لللياز ومرحلة كل نانول في صفيف الليزر. على سبيل المثال ، استخدم الفريق هذه التكنولوجيا لتحقيق الليزر البصري المتماسك في أنماط مثل "P" و "K" و "U" و "China" و "China" ، مما يدل على آفاق تطبيقها الواسعة في مجالات الضوئيات المدمجة ، صفيفات المصدر المصدر النانو الصغير والاتصالات البصرية. (المؤلف: ما رينمين ، أستاذ كلية الفيزياء ، جامعة بكين)
