یکی از فناوری‌هایی که به یاری صنایع آمده و کاربرد گسترده‌ و روزافزون آن را می‌توان به عنوان تحولی در صنعت لیزرها نامید نانولیزر است. تجهیزات نانومقیاس لیزری که می‌تواند در ابعاد میکرو یا نانومتری ساخته شود. با استفاده از پراش نور و یا الکتریسیته، کارایی خود را به اثبات می‌رسانند و در حوزه‌های گوناگونی صنایع، سلامت، فناوری‌های پیشرفته مورد استفاده قرار می‌گیرند.

توسعه روزافزون فناوری لیزر به کمک نانوفناوری

در دهه 1990، زمینه لازم برای ورود به حوزه نانو لیزر با توسعه و لیزر کریستال فوتونیک فراهم شد. روزنه‌ها، حفره‌های به اندازه یا حجم انرژی محدود با قطرهای میکرو یا نانومتری هستند و به مرز پراش نور نزدیک می شوند. پراش نور هنگام برخورد با یک مانع یا گذر از روزنه به وجود می‌آید.

تقریباً از سال 2010، پیشرفت‌های عمده‌ای در فناوری نانولیزر ایجاد شد و انواع جدیدی از نانولیزرها با استفاده از ویژگی‌های لیزری و فوتونی تولید شده‌اند. ویژگی نانولیزرها شباهت‌های بسیاری با لیزرهای مرسوم دارد و در حالی که از بسیاری از شباهت ها با لیزرهای استاندارد برخوردارند، لیزرهای نانویی با دارا بودن بسیاری از ویژگی‌ها و تفاوت‌های منحصر به فرد نسبت به لیزرهای معمولی، توانمندی‌های خاصی از خود به نمایش می‌گذارند.

لیزرهای نانویی مشابه لیزرهای معمولی، بر اساس انتشار تحریک شده پرتوهای نوری کار می‌کنند و تفاوت عمده در محدودیت استفاده از نور است. تشدید کننده یا حفره و انتخاب نور با فرکانس مشخص و جهت یکسان با اولویت‌ترین تقویت و سرکوب نور دیگر برای دستیابی به محدودیت نور، نقشی مهم ایفا می‌کند.

در لیزرهای معمولی، حفره‌ای با دو آینه بازتاب موازی استفاده می شود. در این حالت، نور می تواند حداکثر به نیمی از طول موج خود محدود شود و چنین حدی، حد پراش نور تلقی می‌شود.

لیزرهای نانوسیم نیمه هادی دارای ساختاری شبه یک بعدی هستند که قطر آنها از چند نانومتر تا چند صد نانومتر و طول آن‌ها از صدها نانومتر تا چند میکرون متغیر است. عرض نانوسیم‌ها به اندازه کافی بزرگ است تا اثر در لیزر را نادیده بگیرد، این تجهیز شامل موج‌برهای یک بعدی با کیفیت بالا با مقطع استوانه ای، مستطیلی، مثلثی و شش ضلعی است.

نانولیزرهای پلاسمونی

ساختار شبه یک بعدی و انعکاس پذیری بالای لیزر نانوسیم باعث می شود که از توانایی بالایی برای متمرکز کردن پرتوهای نور برخوردار باشد. انعکاس پذیری بالای نانوسیم و وجوه مسطح سیم، یک حفره تشدید کننده خوب ایجاد می کنند که در آن می‌توان فوتون‌ها را بین دو انتهای نانوسیم محدود کرد تا انرژی نور را به جهت محوری نانوسیم محدود کند، بنابراین شرایط تشکیل لیزر را فراهم می کند. نانوسیم های چند ضلعی می توانند حفره ای تقریباً دایره ای در سطح مقطع ایجاد کند و ویژگی‌های منحصر به‌فردی را ارمغان لیزر کند.

در فیزیک به نوسانات الکترون‌های آزاد یک محیط پلاسمایی، پلاسمون می‌گویند. نوع خاصی از لیزرهای نانویی، بر مبنای پلاسمون و ویژگی‌های آن طراحی شده است که به آن نانولیزرهای پلاسمونی گفته می‌شود. نانولیزر مبتنی بر پلاسمون اندازه‌ای بسیار بیشتر از حد پراش نور داراست.

کاربرد نانولیزرها در صنعت و سلامت

طراحی لیزرهای پلاسمونیک در حال حاضر به یکی از مؤثرترین روش‌های فناوری برای افزایش کاربرد لیزر تبدیل شده است. این لیزرها کمی متفاوت از لیزرهای معمولی ، شامل یک فرآیند انتقال انرژی برای تبدیل فوتون‌ها به پلاسمون های سطحی است. در در نانولیزر پلاسمونی نوسانات جمعی الکترونهای آزاد روی سطوح فلزی تحت تأثیر میدانهای الکترومغناطیسی خارجی هستند.

علاوه بر این  در سال های اخیر انواع جدیدی از نانولیزرها برای نزدیک شدن به حد پراش تولید شده‌اند. تقارن زمان برابری به تعادل افزایش و از دست دادن نوری در یک سیستم حفره همراه مربوط می شود. همه انواع جدید از نانولیزرها دارای کیفیت بالایی هستند و می‌توانند اندازه حفره و اندازه حالت را به مرز پراش نور نزدیک کنند.

به تازگی حسگرهای نانولیزر پلاسمونی نشان داده شده اند که می توانند مولکول‌های خاصی را در هوا تشخیص دهند و برای حسگرهای زیستی نوری استفاده شوند.

کاربرد نانولیزرها در حوزه سلامت نیز گسترش یافته است؛ به طوری‌که نانو لیزرهای  خاصی تولید شده اند که می تواند بدون آسیب رساندن به بافت های زیستی و زنده، در آنها به فعالیت خود بپردازند. این نانولیزرها ضخامتی بین 50 تا 150 نانومتر دارند و از قابلیت تصویربرداری و ترمیم بافت های زنده برخوردارند.

ستاد توسعه فناوری‌های فوتونیک، لیزر، مواد پیشرفته و ساخت معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری و همچنین ستاد توسعه نانوفناوری معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری زمینه‌های لازم را برای حمایت از طرح‌های دانش‌بنیان و فناورانه فراهم کرده‌اند.

در حال حاضر شرکت‌های دانش‌بنیان و خلاق در زمینه فناوری‌ لیزر و نانو به تولید محصولاتی دست زده‌اند که توانسته است ضمن تامین نیاز داخلی، راه خود را به بازارهای جهانی هموار کند.

مرکز ارتباطات و اطلاع‌رسانی معاونت علمی و فناوری ریاست جمهوری

پایان پیام/24