El nanoláser es un tipo de dispositivo micro y nano que utiliza nanomateriales, como nanocables, como resonador, y que puede emitir luz láser mediante fotoexcitación o excitación eléctrica. Su tamaño suele ser de tan solo cientos o incluso decenas de micras, y su diámetro alcanza el orden de los nanómetros, lo que lo convierte en un componente fundamental para las futuras pantallas de película delgada, la óptica integrada y otros campos.
Clasificación de nanoláseres:
1. Láser de nanocables
En 2001, investigadores de la Universidad de California, Berkeley, en Estados Unidos, crearon el láser más pequeño del mundo —un nanoláser— sobre un hilo nanoóptico de apenas una milésima parte de la longitud de un cabello humano. Este láser no solo emite luz ultravioleta, sino que también puede ajustarse para emitir luz desde el azul hasta el ultravioleta profundo. Los investigadores utilizaron una técnica estándar llamada epifitación orientada para crear el láser a partir de cristales de óxido de zinc puro. Primero, cultivaron nanohilos, es decir, los formaron sobre una capa de oro con un diámetro de entre 20 nm y 150 nm y una longitud de 10 000 nm de óxido de zinc puro. Posteriormente, al activar los cristales de óxido de zinc puro en los nanohilos con otro láser en un invernadero, estos emitieron un láser con una longitud de onda de tan solo 17 nm. Estos nanoláseres podrían utilizarse en el futuro para identificar sustancias químicas y mejorar la capacidad de almacenamiento de información de los discos duros y las computadoras fotónicas.
2. Nanoláser ultravioleta
Tras el surgimiento de los microláseres, los microláseres de disco, los microláseres de anillo y los láseres de avalancha cuántica, el químico Yang Peidong y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley, crearon nanoláseres que operan a temperatura ambiente. Este nanoláser de óxido de zinc (ZnO) puede emitir un láser con un ancho de línea inferior a 0,3 nm y una longitud de onda de 385 nm bajo excitación lumínica, lo que lo convierte en el láser más pequeño del mundo y uno de los primeros dispositivos prácticos fabricados con nanotecnología. En la etapa inicial de desarrollo, los investigadores predijeron que este nanoláser de ZnO sería fácil de fabricar, de alta luminosidad, pequeño tamaño y con un rendimiento igual o incluso superior al de los láseres azules de GaN. Gracias a la capacidad de crear matrices de nanocables de alta densidad, los nanoláseres de ZnO pueden tener numerosas aplicaciones que no son posibles con los dispositivos de GaAs actuales. Para el crecimiento de estos láseres, los nanocables de ZnO se sintetizan mediante un método de transporte de gas que cataliza el crecimiento epitaxial de cristales. Primero, se recubre un sustrato de zafiro con una capa de oro de 1 nm a 3,5 nm de espesor y luego se coloca sobre una cápsula de alúmina. El material y el sustrato se calientan a 880 °C a 905 °C en un flujo de amoníaco para producir vapor de zinc, que posteriormente se transporta al sustrato. Durante el proceso de crecimiento, que dura de 2 a 10 minutos, se generan nanocables de 2 μm a 10 μm con sección transversal hexagonal. Los investigadores descubrieron que los nanocables de ZnO forman una cavidad láser natural con un diámetro de 20 nm a 150 nm, siendo la mayoría (95 %) de 70 nm a 100 nm. Para estudiar la emisión estimulada de los nanocables, se bombeó ópticamente la muestra en un invernadero con la salida del cuarto armónico de un láser Nd:YAG (longitud de onda de 266 nm, ancho de pulso de 3 ns). Durante la evolución del espectro de emisión, se observó que la luz se atenuaba al aumentar la potencia de bombeo. Cuando la emisión láser supera el umbral del nanohilo de ZnO (aproximadamente 40 kW/cm²), aparece el pico máximo en el espectro de emisión. El ancho de línea de estos picos es inferior a 0,3 nm, lo que representa más de 1/50 del ancho de línea del vértice de emisión por debajo del umbral. Estos estrechos anchos de línea y los rápidos incrementos en la intensidad de emisión llevaron a los investigadores a concluir que, efectivamente, se produce emisión estimulada en estos nanohilos. Por lo tanto, esta matriz de nanohilos puede actuar como un resonador natural y, en consecuencia, convertirse en una fuente de microláser ideal. Los investigadores creen que este nanoláser de longitud de onda corta puede utilizarse en los campos de la computación óptica, el almacenamiento de información y el nanoanálisis.
3. Láseres de pozo cuántico
Antes y después de 2010, el ancho de línea grabado en el chip semiconductor alcanzaba los 100 nm o menos, y solo unos pocos electrones se movían en el circuito. El aumento o la disminución de la cantidad de electrones tenía un gran impacto en el funcionamiento del circuito. Para solucionar este problema, surgieron los láseres de pozo cuántico. En mecánica cuántica, un campo potencial que restringe el movimiento de los electrones y los cuantiza se denomina pozo cuántico. Esta restricción cuántica se utiliza para formar niveles de energía cuántica en la capa activa del láser semiconductor, de modo que la transición electrónica entre los niveles de energía domina la radiación emitida por el láser, lo que da lugar a un láser de pozo cuántico. Existen dos tipos de láseres de pozo cuántico: los láseres de línea cuántica y los láseres de punto cuántico.
① Láser de línea cuántica
Científicos han desarrollado láseres de fibra cuántica 1000 veces más potentes que los láseres tradicionales, lo que supone un gran avance hacia la creación de ordenadores y dispositivos de comunicación más rápidos. Este láser, capaz de aumentar la velocidad de audio, vídeo, internet y otras formas de comunicación a través de redes de fibra óptica, fue desarrollado por científicos de la Universidad de Yale, Lucent Technologies Bell LABS en Nueva Jersey y el Instituto Max Planck de Física en Dresde, Alemania. Estos láseres de mayor potencia reducirían la necesidad de los costosos repetidores, que se instalan cada 80 km a lo largo de la línea de comunicación y que, a su vez, producen pulsos láser de menor intensidad al viajar por la fibra.
Fecha de publicación: 15 de junio de 2023