ন্যানোলেজারের ধারণা এবং শ্রেণিবিন্যাস

ন্যানোলেজার হলো এক ধরনের মাইক্রো ও ন্যানো ডিভাইস, যা ন্যানোওয়্যারের মতো ন্যানোম্যাটেরিয়ালকে রেজোনেটর হিসেবে ব্যবহার করে তৈরি করা হয় এবং এটি আলোক-উদ্দীপনা বা বৈদ্যুতিক উদ্দীপনার মাধ্যমে লেজার রশ্মি নির্গত করতে পারে। এই লেজারের আকার প্রায়শই মাত্র কয়েকশ মাইক্রন বা এমনকি কয়েক দশ মাইক্রন হয়ে থাকে এবং এর ব্যাস ন্যানোমিটার পর্যায় পর্যন্ত হতে পারে, যা ভবিষ্যতের থিন ফিল্ম ডিসপ্লে, ইন্টিগ্রেটেড অপটিক্স এবং অন্যান্য ক্ষেত্রের একটি গুরুত্বপূর্ণ অংশ।

ন্যানোলেজারের শ্রেণিবিভাগ:

১. ন্যানোওয়্যার লেজার

২০০১ সালে, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের বার্কলির ক্যালিফোর্নিয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের গবেষকরা মানুষের চুলের দৈর্ঘ্যের মাত্র এক-হাজার ভাগের এক ভাগ দৈর্ঘ্যের ন্যানোঅপটিক তারের উপর বিশ্বের ক্ষুদ্রতম লেজার—ন্যানোলেজার—তৈরি করেন। এই লেজারটি শুধু অতিবেগুনি রশ্মিই নির্গত করে না, বরং এটিকে নীল থেকে গভীর অতিবেগুনি পর্যন্ত বিভিন্ন রশ্মি নির্গত করার জন্য টিউনও করা যায়। গবেষকরা বিশুদ্ধ জিঙ্ক অক্সাইড ক্রিস্টাল থেকে লেজারটি তৈরি করার জন্য ওরিয়েন্টেড এপিফাইটেশন নামক একটি প্রচলিত কৌশল ব্যবহার করেন। তারা প্রথমে সোনার স্তরের উপর ২০ ন্যানোমিটার থেকে ১৫০ ন্যানোমিটার ব্যাস এবং ১০,০০০ ন্যানোমিটার দৈর্ঘ্যের বিশুদ্ধ জিঙ্ক অক্সাইড তার দিয়ে ন্যানোওয়্যার "কালচার" করেন। এরপর, গবেষকরা যখন গ্রিনহাউসের নিচে অন্য একটি লেজার দিয়ে ন্যানোওয়্যারের মধ্যে থাকা বিশুদ্ধ জিঙ্ক অক্সাইড ক্রিস্টালগুলোকে সক্রিয় করেন, তখন বিশুদ্ধ জিঙ্ক অক্সাইড ক্রিস্টালগুলো মাত্র ১৭ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের একটি লেজার নির্গত করে। এই ধরনের ন্যানোলেজার ভবিষ্যতে রাসায়নিক পদার্থ শনাক্ত করতে এবং কম্পিউটার ডিস্ক ও ফোটোনিক কম্পিউটারের তথ্য ধারণ ক্ষমতা উন্নত করতে ব্যবহার করা যেতে পারে।

২. অতিবেগুনি ন্যানোলেজার

মাইক্রো-লেজার, মাইক্রো-ডিস্ক লেজার, মাইক্রো-রিং লেজার এবং কোয়ান্টাম অ্যাভাল্যাঞ্চ লেজারের আবির্ভাবের পর, ক্যালিফোর্নিয়া বিশ্ববিদ্যালয়ের বার্কলে ক্যাম্পাসের রসায়নবিদ ইয়াং পেইডং এবং তাঁর সহকর্মীরা কক্ষ তাপমাত্রায় ন্যানোলেজার তৈরি করেন। এই জিঙ্ক অক্সাইড ন্যানোলেজারটি আলোক উদ্দীপনার অধীনে ০.৩ ন্যানোমিটারের কম লাইনউইথ এবং ৩৮৫ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের লেজার নির্গত করতে পারে, যা বিশ্বের ক্ষুদ্রতম লেজার এবং ন্যানোপ্রযুক্তি ব্যবহার করে নির্মিত প্রথম ব্যবহারিক ডিভাইসগুলোর মধ্যে অন্যতম হিসেবে বিবেচিত হয়। উন্নয়নের প্রাথমিক পর্যায়ে, গবেষকরা ভবিষ্যদ্বাণী করেছিলেন যে এই ZnO ন্যানোলেজারটি সহজে তৈরি করা যায়, এর উজ্জ্বলতা বেশি, আকার ছোট এবং এর কার্যক্ষমতা GaN ব্লু লেজারের সমান বা তার চেয়েও ভালো। উচ্চ-ঘনত্বের ন্যানোওয়্যার অ্যারে তৈরি করার ক্ষমতার কারণে, ZnO ন্যানোলেজার এমন অনেক ক্ষেত্রে ব্যবহৃত হতে পারে যা আজকের GaAs ডিভাইস দিয়ে সম্ভব নয়। এই ধরনের লেজার তৈরি করার জন্য, গ্যাস ট্রান্সপোর্ট পদ্ধতির মাধ্যমে ZnO ন্যানোওয়্যার সংশ্লেষণ করা হয়, যা এপিটেক্সিয়াল ক্রিস্টাল গ্রোথকে অনুঘটক হিসেবে কাজ করে। প্রথমে, স্যাফায়ার সাবস্ট্রেটের উপর ১ nm থেকে ৩.৫ nm পুরু সোনার ফিল্মের একটি স্তর প্রলেপ দেওয়া হয় এবং তারপর এটিকে একটি অ্যালুমিনা বোটে রাখা হয়। অ্যামোনিয়া প্রবাহের মধ্যে উপাদান এবং সাবস্ট্রেটকে ৮৮০°C থেকে ৯০৫°C পর্যন্ত উত্তপ্ত করে জিঙ্ক (Zn) বাষ্প তৈরি করা হয় এবং তারপর সেই জিঙ্ক বাষ্প সাবস্ট্রেটে স্থানান্তরিত করা হয়। ২ থেকে ১০ মিনিটের এই বৃদ্ধি প্রক্রিয়ায় ষড়ভুজাকার প্রস্থচ্ছেদযুক্ত ২μm থেকে ১০μm আকারের ন্যানোওয়্যার তৈরি হয়। গবেষকরা দেখেছেন যে, ZnO ন্যানোওয়্যার ২০nm থেকে ১৫০nm ব্যাসের একটি প্রাকৃতিক লেজার ক্যাভিটি তৈরি করে, যার বেশিরভাগ (৯৫%) ব্যাস ৭০nm থেকে ১০০nm হয়ে থাকে। ন্যানোওয়্যারগুলোর উদ্দীপিত নিঃসরণ (stimulated emission) অধ্যয়নের জন্য, গবেষকরা একটি গ্রিনহাউসে (greenhouse) নমুনাটিকে একটি Nd:YAG লেজারের (২৬৬nm তরঙ্গদৈর্ঘ্য, ৩ns পালস প্রস্থ) চতুর্থ হারমোনিক আউটপুট দিয়ে অপটিক্যালি পাম্প করেন। নিঃসরণ বর্ণালীর (emission spectrum) বিবর্তনের সময় দেখা যায় যে, পাম্প পাওয়ার বৃদ্ধির সাথে সাথে আলো ম্লান হয়ে যায়। যখন লেসিং ZnO ন্যানোওয়্যারের থ্রেশহোল্ড (প্রায় ৪০ কিলোওয়াট/সেমি) অতিক্রম করে, তখন নির্গমন বর্ণালীতে সর্বোচ্চ বিন্দুটি দেখা যায়। এই সর্বোচ্চ বিন্দুগুলোর লাইন প্রস্থ ০.৩ ন্যানোমিটারের চেয়ে কম, যা থ্রেশহোল্ডের নিচের নির্গমন শীর্ষবিন্দুর লাইন প্রস্থের চেয়ে ১/৫০ ভাগেরও বেশি কম। এই সংকীর্ণ লাইন প্রস্থ এবং নির্গমন তীব্রতার দ্রুত বৃদ্ধি গবেষকদের এই সিদ্ধান্তে উপনীত করেছে যে, এই ন্যানোওয়্যারগুলোতে উদ্দীপিত নির্গমন সত্যিই ঘটে। অতএব, এই ন্যানোওয়্যার অ্যারে একটি প্রাকৃতিক অনুনাদক হিসেবে কাজ করতে পারে এবং এর ফলে একটি আদর্শ মাইক্রো লেজার উৎস হয়ে উঠতে পারে। গবেষকরা বিশ্বাস করেন যে এই স্বল্প-তরঙ্গদৈর্ঘ্যের ন্যানোলেজারটি অপটিক্যাল কম্পিউটিং, তথ্য সংরক্ষণ এবং ন্যানোঅ্যানালাইজারের ক্ষেত্রে ব্যবহার করা যেতে পারে।

৩. কোয়ান্টাম ওয়েল লেজার

২০১০ সালের আগে ও পরে, সেমিকন্ডাক্টর চিপে খোদাই করা লাইনের প্রস্থ ১০০ ন্যানোমিটার বা তারও কম হতো এবং সার্কিটে মাত্র কয়েকটি ইলেকট্রন চলাচল করত, আর একটি ইলেকট্রনের সংখ্যা বৃদ্ধি বা হ্রাস সার্কিটের কার্যকারিতার উপর ব্যাপক প্রভাব ফেলত। এই সমস্যা সমাধানের জন্য কোয়ান্টাম ওয়েল লেজারের জন্ম হয়। কোয়ান্টাম বলবিদ্যায়, যে বিভব ক্ষেত্র ইলেকট্রনের গতিকে সীমাবদ্ধ করে এবং সেগুলোকে কোয়ান্টায়িত করে, তাকে কোয়ান্টাম ওয়েল বলা হয়। এই কোয়ান্টাম সীমাবদ্ধতা সেমিকন্ডাক্টর লেজারের সক্রিয় স্তরে কোয়ান্টাম শক্তি স্তর তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়, যার ফলে শক্তি স্তরগুলোর মধ্যে ইলেকট্রনের স্থানান্তর লেজারের উত্তেজিত বিকিরণে প্রাধান্য পায়, যা একটি কোয়ান্টাম ওয়েল লেজার। কোয়ান্টাম ওয়েল লেজার দুই প্রকারের হয়: কোয়ান্টাম লাইন লেজার এবং কোয়ান্টাম ডট লেজার।

① কোয়ান্টাম লাইন লেজার

বিজ্ঞানীরা কোয়ান্টাম ওয়্যার লেজার তৈরি করেছেন যা প্রচলিত লেজারের চেয়ে ১,০০০ গুণ বেশি শক্তিশালী, যা দ্রুততর কম্পিউটার এবং যোগাযোগ ডিভাইস তৈরির দিকে একটি বড় পদক্ষেপ। এই লেজারটি ফাইবার-অপটিক নেটওয়ার্কের মাধ্যমে অডিও, ভিডিও, ইন্টারনেট এবং অন্যান্য ধরনের যোগাযোগের গতি বাড়াতে পারে। এটি তৈরি করেছেন ইয়েল বিশ্ববিদ্যালয়, নিউ জার্সির লুসেন্ট টেকনোলজিস বেল ​​ল্যাবস এবং জার্মানির ড্রেসডেনের ম্যাক্স প্ল্যাঙ্ক ইনস্টিটিউট ফর ফিজিক্সের বিজ্ঞানীরা। এই উচ্চ-ক্ষমতাসম্পন্ন লেজারগুলো ব্যয়বহুল রিপিটারের প্রয়োজনীয়তা কমিয়ে দেবে, যা যোগাযোগ লাইন বরাবর প্রতি ৮০ কিলোমিটার (৫০ মাইল) পর পর স্থাপন করা হয় এবং ফাইবারের মধ্য দিয়ে যাওয়ার সময় কম তীব্রতার লেজার পালস তৈরি করে।