ナノレーザーは、ナノワイヤなどのナノ材料を共振器として用い、光励起または電気励起によってレーザーを放射するマイクロ・ナノデバイスの一種です。このレーザーのサイズは数百ミクロン、あるいは数十ミクロン程度であることが多く、直径はナノメートルオーダーにまで達します。これは、将来の薄膜ディスプレイ、集積光学などの分野において重要な役割を果たすと考えられます。
ナノレーザーの分類：
1. ナノワイヤレーザー
2001年、米国カリフォルニア大学バークレー校の研究者たちは、人間の髪の毛のわずか1000分の1の長さしかないナノ光学ワイヤー上に、世界最小のレーザー、すなわちナノレーザーを作製しました。このレーザーは紫外線レーザーを放射するだけでなく、青色から深紫外線まで、幅広い波長のレーザーを放射するように調整することも可能です。研究者たちは、配向着生法と呼ばれる標準的な手法を用いて、純粋な酸化亜鉛結晶からこのレーザーを作製しました。まず、金層上に直径20nmから150nm、長さ10,000nmの純粋な酸化亜鉛ワイヤーを「培養」しました。次に、温室下で別のレーザーを用いてナノワイヤー内の純粋な酸化亜鉛結晶を活性化したところ、純粋な酸化亜鉛結晶からわずか17nmの波長のレーザーが放射されました。このようなナノレーザーは、最終的には化学物質の特定や、コンピュータディスクや光子コンピュータの情報記憶容量の向上に利用できるようになるでしょう。
2. 紫外線ナノレーザー
マイクロレーザー、マイクロディスクレーザー、マイクロリングレーザー、量子アバランシェレーザーの登場に続き、カリフォルニア大学バークレー校の化学者ヤン・ペイドンと彼の同僚は、室温ナノレーザーを開発しました。この酸化亜鉛ナノレーザーは、光励起下で線幅0.3nm未満、波長385nmのレーザーを放射することができ、これは世界最小のレーザーであり、ナノテクノロジーを用いて製造された最初の実用デバイスの1つと考えられています。開発の初期段階では、研究者らはこのZnOナノレーザーは製造が容易で、高輝度、小型で、性能はGaN青色レーザーと同等かそれ以上であると予測していました。高密度ナノワイヤアレイを製造できるため、ZnOナノレーザーは、今日のGaAsデバイスでは不可能な多くの用途に参入できます。このようなレーザーを成長させるために、ZnOナノワイヤは、エピタキシャル結晶成長を触媒するガス輸送法によって合成されます。まず、サファイア基板に厚さ1nm～3.5nmの金薄膜を塗布し、アルミナボートに載せ、アンモニア気流中で基板と材料を880℃～905℃に加熱してZn蒸気を発生させ、その後、Zn蒸気を基板に輸送する。 2分～10分の成長プロセスで、六角形の断面積を持つ2μm～10μmのナノワイヤを生成した。 研究者らは、ZnOナノワイヤが直径20nm～150nmの天然レーザー共振器を形成し、その直径の大部分（95％）が70nm～100nmであることを発見した。 ナノワイヤの誘導放出を研究するために、研究者らは温室内でサンプルをNd:YAGレーザー（波長266nm、パルス幅3ns）の第4高調波出力で光ポンピングした。 放出スペクトルの進化の過程で、光はポンプパワーの増加に伴って明瞭になった。レーザー発振がZnOナノワイヤの閾値（約40kW/cm）を超えると、発光スペクトルに最高点が現れます。これらの最高点の線幅は0.3nm未満で、閾値以下の発光頂点からの線幅の1/50以上になります。これらの狭い線幅と発光強度の急激な増加から、研究者たちはこれらのナノワイヤで誘導放出が実際に起こっていると結論付けました。したがって、このナノワイヤアレイは自然共振器として機能し、理想的な微小レーザー光源となります。研究者たちは、この短波長ナノレーザーが光コンピューティング、情報ストレージ、ナノアナライザーなどの分野で応用できると考えています。
3. 量子井戸レーザー
2010年前後、半導体チップに刻まれた線幅は100nm以下となり、回路内を移動する電子はわずかしかなく、電子の増減が回路動作に大きな影響を与えるようになります。この問題を解決するために、量子井戸レーザーが誕生しました。量子力学では、電子の動きを拘束して量子化するポテンシャル場を量子井戸と呼びます。この量子拘束を利用して、半導体レーザーの活性層に量子エネルギー準位を形成し、エネルギー準位間の電子遷移がレーザーの励起放射を支配するようにします。これが量子井戸レーザーです。量子井戸レーザーには、量子線レーザーと量子ドットレーザーの2種類があります。
① 量子線レーザー
科学者たちは、従来のレーザーの1,000倍もの出力を持つ量子線レーザーを開発しました。これは、より高速なコンピュータや通信機器の開発に向けた大きな一歩です。光ファイバーネットワークを介した音声、動画、インターネットなどの通信速度を向上させるこのレーザーは、イェール大学、ニュージャージー州のルーセント・テクノロジーズ・ベル研究所、そしてドイツのドレスデンにあるマックス・プランク物理学研究所の科学者たちによって開発されました。これらの高出力レーザーは、通信回線に沿って80km（50マイル）ごとに設置されている高価な中継器（リピーター）の必要性を軽減するでしょう。リピーターは、光ファイバーを伝わるにつれて強度が弱まるレーザーパルスを生成します。
投稿日時: 2023年6月15日