Laser đơn mode phát ra từ dây nano đơn

Mặc dù các laser đa dạng về hình dạng và kích cỡ, nhưng một trong những thiết kế laser mới nhất đặc biệt khiến người ta chú ý, vì nó được chế tạo chỉ bằng một sợi dây nano. Do kích cỡ nhỏ và tính đơn giản của nó, nên laser dây nano đơn có thể dùng làm nguồn phát ánh sáng kết hợp ở cấp độ nano dùng cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang truyền thông, cảm biến và xử lí tín hiệu.

(A, C, E) Ảnh chụp qua kính hiển vi quang phát quang của laser dây nano đơn ở ba dạng cấu hình. (B, D, F) Các mũi tên nhỏ biểu diễn sự phản xạ đầu cuối với suất phản xạ thấp, còn những mũi tên lớn biểu diễn sự phản xạ gương lặp với suất phản xạ cao. Ảnh: Yao Xiao, ©2011 Hội Hóa học Mĩ.

Đội nghiên cứu, gồm Yao Xiao và các cộng sự, thuộc trường Đại học Zhejiang ở Hàng Châu, Trung Quốc, và trường Đại học Peking ở Bắc Kinh, vừa công bố kết quả nghiên cứu của họ về một laser dây nano đơn mới trên số ra mới đây của tạp chí Nano Letters. Mặc dù đây không phải là laser đầu tiên được chế tạo chỉ từ một sợi dây nano, nhưng nó có những ưu điểm nhất định vì nó hoạt động trong một mode đơn có thể điều khiển được.

“Trước đây, các laser dây nano đơn chủ yếu hoạt động ở chế độ đa mode”, đồng tác giả Limon Tong ở trường Đại học Zhejiang cho biết. “Laser dây nano đơn được báo cáo trong bài báo của chúng tôi là đơn mode, đó là cái mà người ta đang khao khát cho các ứng dụng thực tiễn”.

Ở đây, sự phát xạ laser có bước sóng khoảng 738 nm (đầu trên của phổ ánh sáng nhìn thấy). Dây nano dùng để chế tạo laser có đường kính 200 nm, và chiều dài từ 50 đến 75 µm. Các nhà nghiên cứu đã làm thí nghiệm với các dây nano uốn cong theo những kiểu khác nhau khi khảo sát dưới kính hiển vi và gấp nếp dây nano bằng đầu dò sợi quang. Thí dụ, họ đã gấp nếp dây nano sao cho chúng có vòng thòng lọng ở hai đầu, một vòng ở một đầu, và không có vòng nào hết.

Để làm cho dây nano hoạt động như một laser đơn mode, các nhà nghiên cứu đã kích thích dây nano thắt thòng lọng bằng một laser xung. Như họ giải thích, khi khuếch đại tới lui, được duy trì bằng sự hồi tiếp thí dụ như phản xạ, có thể bổ sung cho sự tổn thất hồi tiếp, sự phát laser xảy ra. Các nhà nghiên cứu đã quan sát sự phát laser ở các dây nano đơn dưới dạng hai đốm sáng ở cả hai đầu của dây nano. Họ nhận thấy, đối với các dây nano bị thắt thành thòng lọng, các vòng thắt tác dụng như các gương lặp, chúng không chỉ mang lại cho dây nano hộp cộng hưởng chọn lọc mode, mà còn làm tăng suất phản xạ của dây nano và làm giảm ngưỡng phát laser. Sự kết hợp của suất phản xạ cao và ngưỡng phát thấp tạo ra một hộp phát laser chất lượng cao trong dây nano.

Ngoài ra, việc thay đổi kích thước của các vòng thắt còn cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh bước sóng của laser. Sử dụng đầu dò sợi quang, các nhà nghiên cứu có thể dễ dàng làm thay đổi kích cỡ của các vòng thắt. Họ nhận thấy việc giảm kích cỡ của một trong các vòng làm thay đổi bước sóng do sự giảm quang trình của hộp laser.

Các nhà khoa học hi vọng rằng laser dây nano đơn, với ưu điểm có chất lượng mode cao và ngưỡng phát laser thấp của nó, có thể mang lại những cơ hội mới cho các ứng dụng thực tiễn của laser dây nano. Ngoài ra, nghiên cứu trên còn mang lại một kĩ thuật thiết kế mới cho việc chế tạo các laser đơn mode, ngưỡng thấp, sử dụng những loại cấu trúc nano khác.

“Là một nguồn sáng kết hợp, loại laser dây nano này không chỉ có vết tia tối thiểu (như nhiều laser dây nano khác), mà nó còn mang lại sự phát laser đơn mode (cái khó triển khai ở đa số các laser dây nano khác, nhưng được khát khao cao độ cho những ứng dụng thực tiễn)”, Tong nói. “Vì thế, loại laser này có thể mang lại tiềm năng to lớn cho các ứng dụng như các mạch quang điện tử tích hợp cấp độ nano dùng trong xử lí dữ liệu quang học và quang cảm biến”.

Tham khảo: Yao Xiao, et al. “Single-Nanowire Single-Mode Laser.” Nano Letters. DOI:10.1021/nl1040308

Nguồn: PhysOrg.com

Bài trước | Bài kế tiếp