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て作製されたマイクロ・ナノデバイスの一種で、光励起または電気励起によってレーザー光を発します。このレーザーのサイズは数百マイクロメートル、あるいは数十マイクロメートル程度で、直径はナノメートルオーダーに達します。これは、将来の薄膜ディスプレイや集積光学などの分野において重要な役割を担っています。
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らは、人間の髪の毛のわずか1000分の1の長さしかないナノ光ファイバー線上に、世界最小のレーザーであるナノレーザーを作製した。このレーザーは紫外線を発するだけでなく、青色から深紫外線まで幅広い波長のレーザーを発するように調整することも可能だ。研究者らは、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レーザーを作製した。まず、直径20～150nm、長さ10,000nmの純粋な酸化亜鉛線を金層上に形成し、ナノワイヤーを「培養」した。次に、研究者らが温室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すると、純粋な酸化亜鉛結晶は波長わずか17nmのレーザーを発した。このようなナノレーザーは、将来的には化学物質の識別や、コンピュータディスクやフォトニックコンピュータの情報記憶容量の向上に利用できる可能性がある。
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、化学者の楊培東氏とカリフォルニア大学バークレー校の同僚らは、室温ナノレーザーを製作した。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のレーザーを発光することができ、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つと考えられている。開発の初期段階で、研究者らはこのZnOナノレーザーは製造が容易で、高輝度、小型であり、性能はGaNブルーレーザーと同等かそれ以上であると予測した。高密度ナノワイヤアレイを作製できるため、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利用できる。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る。まず、サファイア基板に厚さ 1 nm〜3.5 nm の金膜をコーティングし、アルミナボートに載せ、材料と基板をアンモニア流中で 880 ° C〜905 ° C に加熱して Zn 蒸気を生成し、次に Zn 蒸気を基板に輸送します。2 分〜 10 分の成長プロセスで、六角形の断面を持つ 2μm〜10μm のナノワイヤが生成されました。研究者らは、ZnO ナノワイヤが直径 20 nm〜150 nm の自然レーザー共振器を形成し、その直径の大部分 (95%) が 70 nm〜100 nm であることを発見しました。ナノワイヤの誘導放出を研究するために、研究者らは、Nd:YAG レーザー (波長 266 nm、パルス幅 3 ns) の第 4 高調波出力で温室内のサンプルを光ポンピングしました。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未満であり、閾値以下の発光頂点の線幅の1/50以下です。このような狭い線幅と発光強度の急激な増加から、研究者らは、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、理想的なマイクロレーザー光源となり得ます。研究者らは、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、ナノアナライザーの分野で利用できると考えています。
3. 量子井戸レーザー
2010年以前と以後では、半導体チップにエッチングされる線幅は100nm以下となり、回路内を移動する電子はごくわずかとなり、電子の増減が回路の動作に大きな影響を与えるようになりました。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、電子の運動を制限し量子化するポテンシャル場を量子井戸と呼びます。この量子的な制約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たもの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、従来のレーザーよりも1,000倍強力な量子ワイヤーレーザーを開発し、より高速なコンピューターや通信機器の開発に向けて大きな一歩を踏み出した。このレーザーは、光ファイバーネットワークを介した音声、映像、インターネット、その他の通信速度を向上させることができ、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、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によって開発された。これらの高出力レーザーは、通信線に沿って80km（50マイル）ごとに設置される高価な中継器の必要性を減らすことになる。中継器は、光ファイバーを通過する際に強度が低下するレーザーパルスを再び発生させる。
投稿日時：2023年6月15日