تولید نور با نانولیزر نقره: انقلابی در علم نورپردازی

توسعه نانو لیزر منحصر به فرد در دانشگاه فناوری کائوناس

محققان و دانشمندان دانشگاه فناوری کائوناس (KTU) در لیتوانی به همراه همتایان خود از ژاپن، یک نانو لیزر منحصر به فرد توسعه داده‌اند. اگرچه ابعاد این لیزر به قدری کوچک است که تنها با میکروسکوپ‌های قوی قابل مشاهده است، اما پتانسیل‌های آن بسیار وسیع است. این اختراع می‌تواند در زمینه‌های تشخیص زودهنگام پزشکی، ارتباطات داده و فناوری‌های امنیتی کاربرد داشته باشد و همچنین به ابزاری کلیدی در مطالعه تعاملات نور و ماده تبدیل شود.

لیزرها بسته به کاربرد خود، در نحوه تقویت و تولید نور متفاوت هستند که این امر رنگ تابش و کیفیت پرتو لیزر را تعیین می‌کند. دکتر مینداگاس جودناس، یکی از نویسندگان این اختراع، می‌گوید: “نانو لیزرها لیزرهایی هستند که از ساختارهایی به اندازه یک میلیونیم میلی‌متر برای تولید و تقویت نور استفاده می‌کنند و تابش لیزر در یک حجم بسیار کوچک از ماده تولید می‌شود.”

اصول کار نانو لیزر

اصل کار این لیزر شبیه به یک سالن آینه‌ای است. این نانو لیزرها برای مدتی مورد تحقیق و توسعه قرار گرفته‌اند. با این حال، نسخه‌ای که دانشمندان KTU ارائه داده‌اند، از نظر فرآیند تولید منحصر به فرد است. این لیزر از نانو مکعب‌های نقره‌ای استفاده می‌کند که به طور منظم بر روی یک سطح چیده شده و با ماده‌ای فعال نوری پر شده‌اند. این ترکیب، مکانیزم لازم برای تقویت نور و تولید اثر لیزری را ایجاد می‌کند.

جودناس، محقق در موسسه علم مواد KTU، می‌گوید: “نانو مکعب‌های نقره‌ای، ذرات نقره‌ای تک بلوری بسیار کوچکی هستند که خواص نوری عالی دارند. این نانو مکعب‌ها بخش اساسی نانو لیزر توسعه یافته ما هستند.”

فرآیند سنتز نانو مکعب‌ها

این نانو مکعب‌ها با استفاده از یک فرآیند منحصر به فرد که توسط شرکای KTU در ژاپن اختراع شده، سنتز می‌شوند تا شکل و کیفیت دقیق آن‌ها تضمین شود. سپس این نانو مکعب‌ها به یک ساختار دو بعدی با استفاده از فرآیند خودآرایی نانوذرات مرتب می‌شوند. در طول این فرآیند، ذرات به طور طبیعی از یک محیط مایع به یک الگوی از پیش طراحی شده مرتب می‌شوند. زمانی که پارامترهای الگو با خواص نوری نانو مکعب‌ها مطابقت داشته باشد، پدیده منحصر به فردی به نام رزونانس شبکه سطحی ایجاد می‌شود که امکان تولید نور به طور مؤثر در یک محیط فعال نوری را فراهم می‌کند.

در حالی که لیزرهای معمولی از آینه‌ها برای تولید این پدیده استفاده می‌کنند، نانو لیزر اختراع شده توسط محققان KTU از سطحی با نانوذرات به جای آینه‌ها استفاده می‌کند. “زمانی که نانو مکعب‌های نقره‌ای به صورت الگوی دوره‌ای چیده می‌شوند، نور بین آن‌ها به دام می‌افتد.”

پروسه‌ای شبیه به سالن آینه‌ها

به گفته‌ی جوودِناس، این پروسه به نوعی شبیه به سالن آینه‌ها در پارک‌های تفریحی است؛ اما در مورد ما، آینه‌ها نانوکوب‌ها و بازدیدکننده‌ی پارک نور هستند. این نور “گرفتار شده” جمع می‌شود تا زمانی که در نهایت آستانه‌ی انرژی برای انتشار تحریک‌شده عبور کند و یک پرتو نور شدید با رنگ و جهت خاصی تولید کند. جوودِناس به ما یادآوری می‌کند که کلمه‌ی لیزر مخفف تقویت نور از طریق انتشار تحریک‌شده‌ی تابش است، که همان پروسه‌ای است که توضیح داده شد.

توسعه ایده با کمک تأمین مالی بین‌المللی

تأمین مالی بین‌المللی به توسعه‌ی این ایده کمک کرد. با استفاده از نانومواد با کیفیت بالا و به راحتی تولیدشده مانند نانوکوب‌های نقره، لیزر به مقدار بسیار کمی انرژی برای کار نیاز دارد که این امر امکان تولید انبوه لیزرها را فراهم می‌کند. جوودِناس می‌گوید: “نانوکوب‌های نقره‌ای که به صورت شیمیایی سنتز شده‌اند، می‌توانند در حجم‌های صدها میلی‌لیتر تولید شوند و کیفیت بالای آن‌ها به ما این امکان را می‌دهد که از فناوری خودآرایی نانوذرات استفاده کنیم. حتی اگر ترتیب آن‌ها کامل نباشد، ویژگی‌های آن‌ها این نقص را جبران می‌کند.”

چالش‌ها و تأمین مالی

با این حال، در مراحل اولیه، سادگی روش که باید توجه را جلب می‌کرد، در واقع باعث دوری آژانس‌های تأمین مالی تحقیقاتی لیتوانی شد. پروفسور سیگیتاس تامولویچیوس به یاد می‌آورد: “شکاک‌ها سوال کردند که آیا این روش ساده می‌تواند ساختارهایی با کیفیت کافی برای یک نانو لیزر کارا ایجاد کند یا خیر.” این تیم از موسسه‌ی علوم مواد KTU به کیفیت نانو لیزری که در حال توسعه بودند، ایمان قوی داشتند و از یک سازمان بین‌المللی تأمین مالی دریافت کردند که به گفته‌ی جوودِناس، ایده را امیدوارکننده ارزیابی کرد: “پس از کار بسیار و انجام تعدادی آزمایش، ما ثابت کردیم که حتی آرایه‌های ناقص نیز می‌توانند مؤثر باشند اگر از نانوذرات با کیفیت بالا استفاده شود.”

دستاوردها و کاربردهای آینده

ترتیب منظم نانوذرات که در یکی دیگر از اختراعات محققان KTU برای ایجاد نشانه‌های ضد جعل استفاده می‌شود، قبلاً به رسمیت شناخته شده و توسط دفاتر ثبت اختراعات ایالات متحده و ژاپن تأیید شده است. در آینده، نانو لیزری که توسط محققان KTU ایجاد شده می‌تواند به عنوان منبع نوری در حسگرهای زیستی فوق حساس برای تشخیص زودهنگام بیماری‌ها یا نظارت در زمان واقعی بر روی فرآیندهای زیستی استفاده شود. همچنین می‌تواند در چیپ‌های فوتونیکی مینیاتوری، فناوری‌های شناسایی و دستگاه‌های تأیید هویت که در آن ساختار منحصر به فرد پرتو اهمیت دارد، به کار رود. علاوه بر این، می‌تواند از تحقیقات بنیادی درباره چگونگی تعامل نور با ماده در مقیاس نانو حمایت کند.