Les lasers sont largement utilisés dans les communications, l'imagerie médicale et la chirurgie, l'électronique grand public et autres domaines, et ont profondément changé la vie des gens. Ces dernières années, afin de rendre la taille des lasers plus petits, les scientifiques ont développé des nanolasers, qui non seulement favorisent davantage la miniaturisation et l'intégration des dispositifs photoniques, mais ouvrent également de nouvelles voies pour étudier l'interaction entre la lumière et la matière dans des conditions extrêmes. Cet article commence par la génération de lumière et vous emmène pour explorer en profondeur le monde des nanolasers.
Dans le domaine des technologies de l'information, les transistors et les lasers sont deux composants principaux. La miniaturisation des transistors a favorisé le développement rapide des puces électroniques et engendré la loi bien connue de Moore - le nombre de transistors qui peuvent être accueillis sur un circuit intégré doublera tous les 18 mois environ. Cette tendance a poussé la taille des transistors les plus avancés au niveau du nanomètre. À l'heure actuelle, plus de 10 milliards de transistors peuvent être intégrés dans le téléphone portable et les puces informatiques utilisées par le public, donnant à ces appareils de puissantes capacités de traitement de l'information et promouvant l'arrivée de l'ère numérique et intelligente. Dans le même temps, la miniaturisation des lasers a déclenché une révolution dans la technologie photonique. Après plus d'un demi-siècle de développement, les lasers semi-conducteurs miniatures ont été largement utilisés dans les communications, le stockage des données, l'imagerie médicale et la chirurgie, la détection et la mesure, l'électronique grand public, la fabrication, l'affichage et l'éclairage et d'autres domaines et d'autres domaines.
La mise à l'échelle des lasers est plus difficile que les transistors car ils s'appuient sur des transistors à particules microscopiques très différents s'appuient sur des électrons, tandis que les lasers s'appuient sur des photons. Dans les bandes visibles et proche infrarouge, les longueurs d'onde photon sont trois ordres de grandeur supérieures aux longueurs d'onde des électrons dans les transistors. Sous réserve de la limite de diffraction, le volume de mode minimum dans lequel ces photons peuvent être pressés est d'environ neuf ordres de grandeur, ou un milliard de fois, plus grand que celui des électrons dans un transistor. Le défi de base dans la construction de lasers à l'échelle nanométrique est de savoir comment franchir la limite de diffraction et «compresser» le volume de photons à la limite. Surmonter ce problème favorisera non seulement de manière significative le développement de la technologie photonique, mais donnera également naissance à de nombreux nouveaux scénarios d'application. Imaginez que lorsque les photons, comme les électrons, peuvent être manipulés de manière flexible à l'échelle nanomètre, nous pouvons utiliser la lumière pour observer directement la structure fine de l'ADN, et nous pouvons également créer être considérablement amélioré.
Ces dernières années, grâce aux plasmons de surface et aux mécanismes de localisation des champs ponctuels singuliers, le volume du mode laser a dépassé la limite de diffraction optique et est entré dans l'échelle nanométrique, donnant ainsi nanolasers.
1. Ouvrez la porte lumineuse pour explorer l'inconnu
Dans la nature, la lumière est générée de deux manières: rayonnement spontané et rayonnement stimulé.
Le rayonnement spontané est un processus merveilleux. Même dans l'obscurité totale et sans aucun photons externes, la matière peut émettre de la lumière seule. C'est parce que le vide n'est pas vraiment "vide". Il est rempli de minuscules fluctuations d'énergie, appelées énergie à point zéro sous vide. L'énergie à point zéro sous vide peut entraîner la libération de photons de matière excitée. Par exemple, l'allumage d'une bougie produit des bougies. L'histoire de l'utilisation humaine du feu remonte à il y a plus d'un million d'années. Le feu a apporté la lumière et la chaleur aux ancêtres humains et a ouvert le chapitre de la civilisation. Les flammes et les lampes à incandescence sont toutes deux des sources de rayonnement spontanées. Ils brûlent ou chauffent pour mettre des électrons à un état de haute énergie, puis libèrent des photons sous l'action de l'énergie du point zéro vide pour éclairer le monde.
Le rayonnement stimulé révèle une interaction plus profonde entre la lumière et la matière. Lorsqu'un photon externe passe par une substance dans un état excité, il déclenche la substance pour libérer un nouveau photon qui est exactement le même que le photon incident. Ce photon "copié" rend le faisceau lumineux très directionnel et cohérent, qui est le laser que nous connaissons. Bien que l'invention du laser soit il y a moins d'un siècle, elle a rapidement été intégrée dans la vie publique, provoquant des changements de trempe.
L'invention du laser a ouvert une porte lumineuse à l'humanité pour explorer l'inconnu. Il nous fournit des outils puissants et favorise grandement le développement de la civilisation moderne. Dans le domaine de l'information et de la communication, les lasers ont rendu les communications en fibre optique à grande vitesse une réalité et rendu l'interconnexion mondiale possible. Dans les soins médicaux, la chirurgie au laser se caractérise par une haute précision et une invasivité minimale, offrant aux patients des méthodes de traitement plus sûres et plus efficaces. Dans la fabrication industrielle, la coupe au laser et le soudage améliorent l'efficacité de la production et la précision des produits, permettant aux gens de créer des machines et des équipements plus sophistiqués. Dans la recherche scientifique, les lasers sont des outils clés pour la détection des ondes gravitationnelles et les technologies de l'information quantique, aidant les scientifiques à découvrir les mystères de l'univers.
De l'impression laser et de la beauté médicale dans la vie quotidienne à la fusion nucléaire contrôlée, au radar laser et aux armes laser dans la technologie de pointe, les lasers sont partout et ont un impact profond sur le développement du monde. Il a non seulement changé notre mode de vie, mais a également élargi la capacité des êtres humains à comprendre et à transformer la nature.
2. Outils puissants pour comprendre et exploiter la nature
Inspiré par la loi sur les radiations du corps noir de Planck, Einstein a proposé le concept de rayonnement stimulé en 1917, et cette découverte a jeté les bases de l'invention des lasers. En 1954, les scientifiques américains Townes et d'autres ont signalé pour la première fois un oscillateur micro-ondes réalisé par un rayonnement stimulé, à savoir un maser micro-ondes. Ils ont utilisé des molécules d'ammoniac excitées comme support de gain et ont utilisé une cavité de résonance micro-ondes d'environ 12 cm de long pour fournir des commentaires, réalisant des masers micro-ondes avec une longueur d'onde d'environ 12,56 cm. Le maser micro-ondes est considéré comme le prédécesseur du laser, mais le laser peut produire un rayonnement cohérent à une fréquence plus élevée, avec des avantages tels que un volume plus petit, une intensité plus élevée et une capacité de transport d'informations plus élevée.
En 1960, le scientifique américain Maiman a inventé le premier laser. Il a utilisé une tige de rubis d'environ 1 cm de long comme milieu de gain, et les deux extrémités de la tige étaient plaquées en argent pour agir comme réflecteurs pour fournir une rétroaction optique. Sous l'excitation d'une lampe flash, l'appareil a produit une sortie laser avec une longueur d'onde de 694,3 nanomètres. Il convient de noter que la taille du maser micro-ondes est du même ordre de grandeur que sa longueur d'onde. Selon cette relation proportionnelle, la taille du laser doit être d'environ 700 nanomètres. Cependant, la taille du premier laser était beaucoup plus grande que cela, de plus de 4 ordres de grandeur. Il a fallu environ 30 ans pour réduire le laser à une taille comparable à la longueur d'onde, et il a fallu un demi-siècle pour franchir la limite de longueur d'onde et réaliser des lasers profonds de la longueur d'onde.
Par rapport aux sources de lumière ordinaires, l'énergie de rayonnement des masers et lasers micro-ondes est concentré dans une plage de fréquences très étroite. Par conséquent, ces deux inventions peuvent être considérées comme localisant des ondes électromagnétiques dans l'espace de fréquence par un rayonnement stimulé. Le rayonnement stimulé peut également être utilisé pour localiser les ondes électromagnétiques dans les dimensions du temps, de l'élan et de l'espace. En localisant des ondes électromagnétiques dans ces dimensions, les sources de lumière laser peuvent obtenir des oscillations de fréquences extrêmement stables, des impulsions ultra-court, une direction élevée et des volumes de mode extrêmement petits, ce qui nous permet de mesurer avec précision le temps, d'observer le mouvement rapide, de transmettre des informations et d'énergie sur de longues distances , atteindre la miniaturisation des appareils et obtenir une résolution d'imagerie plus élevée.
Depuis l'avènement des lasers, les gens poursuivent constamment une localisation plus forte des champs de lumière dans des dimensions telles que la fréquence, le temps, l'élan et l'espace, promouvant le développement rapide de la recherche en physique laser et des appareils laser, faisant des lasers un outil puissant pour comprendre et utiliser la nature .
In the frequency dimension, through high-quality cavity, feedback control and environmental isolation, lasers can maintain extremely stable frequencies, promoting breakthroughs in many major scientific research, such as Bose-Einstein condensation (2001 Nobel Prize in Physics), precision laser spectroscopy ( Prix Nobel de physique 2005) et détection des vagues gravitationnelles (prix Nobel de physique 2017).
Dans la dimension temporelle, la technologie de verrouillage du mode et la technologie de génération harmonique de haut niveau font des impulsions laser ultrassement une réalité. Grâce à la localisation du temps extrême, les lasers attosecondes peuvent produire des impulsions légères qui ne durent que environ un seul cycle optique. Cette percée permet d'observer des processus ultrarapides tels que le mouvement des électrons dans la couche intérieure des atomes, et a remporté le prix Nobel de physique 2023.
Dans la dimension de momentum, le développement de lasers monomcoles à grande région a atteint un degré élevé de localisation du champ lumineux dans l'espace de quantité de mouvement, ce qui rend le faisceau laser hautement directionnel. Le laser hautement collimaté résultant devrait favoriser le développement de communications optiques interstellaires à grande vitesse à grande distance.
Dans la dimension spatiale, l'introduction des plasmons de surface et des mécanismes de localisation des champs d'éclairage de la singularité permet au volume du mode laser de franchir la limite de diffraction optique et d'atteindre une échelle inférieure à (λ / 2n) 3 (où λ est la longueur d'onde de l'espace libre d'espace libre et n est l'indice de réfraction du matériau), donnant ainsi naissance aux nanolasers. L'émergence de nanolasers a une signification de grande envergure pour innover les technologies de l'information et étudier l'interaction entre la lumière et la matière dans des conditions extrêmes.
3. Rompre la limite de diffraction optique
Plus de 30 ans après l'invention du laser, avec l'avancement de la technologie des micro-machants et une compréhension plus approfondie de la recherche en physique laser et des dispositifs laser, divers types de lasers micro-sémicondeurs ont été développés les uns après les autres, y compris des lasers micro-disks , Lasers de défauts cristallins photoniques et lasers de nanofils. En 1992, Bell Laboratories aux États-Unis a réalisé avec succès le premier laser micro-disque, en utilisant le mode galerie de chuchotements dans le micro-disque pour permettre à la lumière de se réfléchir à plusieurs reprises dans le micro-disque, de générer une rétroaction résonante et d'atteindre le lasing. En 1999, le California Institute of Technology aux États-Unis a réalisé le premier laser de défaut de cristal photonique en introduisant des défauts ponctuels dans des cristaux photoniques bidimensionnels pour contraindre la lumière. En 2001, l'Université de Californie de Berkeley a réalisé avec succès les lasers de nanofils semi-conducteurs pour la première fois en utilisant la face finale d'un nanofil comme réflecteur. Ces lasers réduisent la taille de la caractéristique à l'ordre d'une seule longueur d'onde de vide, mais en raison des limites de la limite de diffraction optique, ces lasers basés sur des résonateurs diélectriques sont difficiles à rétrécir davantage.
En géométrie, la longueur du côté droit d'un triangle droit est inférieure à la longueur de l'hypoténuse. Sur une échelle microscopique, pour briser la limite de diffraction, la longueur des deux côtés angoissé doit être supérieure à l'hypoténuse. En 2009, trois équipes du monde ont réalisé pour la première fois des nanolasers plasmoniques qui ont franchi la limite de diffraction optique. Parmi eux, l'équipe de l'Université de Californie, de Berkeley et de l'Université de Pékin a réalisé un nanolaser plasmonique basé sur une structure de semi-conducteur unidimensionnelle; L'équipe de l'Université de technologie d'Eindhoven aux Pays-Bas et à l'Université d'État de l'Arizona aux États-Unis a développé un nanolaser plasmonique basé sur une structure de plaque plate à trois couches métal-semiconductor-métal; L'équipe de l'Université d'État de Norfolk et de l'Université Purdue aux États-Unis a démontré un nanolaser plasmonique de structure de base basée sur une coquille moyenne de gain à noyau métallique basée sur une résonance plasmonique de surface localisée.
En d'autres termes, en introduisant des unités imaginaires dans l'équation de dispersion, les scientifiques ont en fait construit un triangle spécial avec un côté droit plus longtemps que l'hypoténuse. C'est ce triangle spécial qui nous permet d'obtenir physiquement une localisation de champ lumineux plus forte.
Après plus de 10 ans de développement, les nanolasers plasmon ont démontré d'excellentes caractéristiques telles qu'un volume de mode extrêmement petit, une vitesse de modulation ultra-rapide et une faible consommation d'énergie. Cependant, par rapport aux matériaux diélectriques, bien que l'effet plasmon couple le champ lumineux avec l'oscillation collective des électrons libres dans les métaux pour obtenir une localisation de champ lumineux plus forte, ce couplage introduit également des pertes ohmiques inhérentes, conduisant à la production de chaleur, qui à son tour augmente la puissance de l'appareil de dispositif consommation et limite son temps de cohérence.
En 2024, l'équipe de l'Université de Pékin a proposé une nouvelle équation de dispersion de la singularité, révélant les caractéristiques de dispersion de la nanoantenna en cravate en arc entièrement diélectrique. En intégrant la nanoantenna nanocavité de cravate dans la structure de nanocavité du coin proposée par l'équipe de l'Université de Pékin, un nanolaser diélectrique de la singularité qui rompt la limite de diffraction optique a été réalisé dans un système diélectrique pour la première fois. Cette conception structurelle permet au champ lumineux d'être comprimé à l'extrême, et peut théoriquement atteindre un volume de mode infiniment petit, qui est beaucoup plus petit que la limite de diffraction optique. De plus, la structure sophistiquée de la nanocavité du coin améliore encore la capacité de stockage du champ lumineux, donnant au nanolaser de la singularité un facteur de qualité ultra-élevé et son facteur de qualité de cavité optique (c'est-à-dire le rapport de l'énergie stockée dans la cavité optique à l'énergie perdue par cycle) peut dépasser 1 million.
L'équipe de l'Université de Pékin a en outre développé la technologie de tableau progressive de fréquence optique basée sur des nanolasers. Ils ont réussi à démontrer le potentiel puissant de la technologie de lasage cohérente arris en contrôlant avec précision la longueur d'onde et la phase de lasage de chaque nanolaser dans le réseau laser. Par exemple, l'équipe a utilisé cette technologie pour réaliser un réseau de fréquence optique laser dans des modèles tels que "P", "K", "U", "Chine" et "Chine", démontrant ses vastes perspectives d'application dans les domaines de la photonique intégrée , tableaux de source de lumière micro-nano et communications optiques. (Auteur: Ma Renmin, professeur de l'école de physique, Université de Pékin)
