Продемонстрирована первая в мире непрерывная генерация лазерного диода глубокого ультрафиолета при комнатной температуре
Исследовательская группа во главе с лауреатом Нобелевской премии 2014 года Хироши Амано из Института материалов и систем устойчивого развития (IMaSS) Университета Нагоя в центральной Японии в сотрудничестве с корпорацией Asahi Kasei успешно провела первую в мире непрерывную генерацию глубокого излучения при комнатной температуре — ультрафиолетовый лазерный диод (длины волн до диапазона УФ-С). Эти результаты, опубликованные в Applied Physics Letters, представляют собой шаг к широкому использованию технологии с потенциалом для широкого спектра применений, включая медицину.
Впервые в мире ученые демонстрируют непрерывную генерацию глубокого ультрафиолетового лазерного диода при комнатной температуре. Кредит: Иссей Такахаши
С тех пор как они были представлены в 1960-х годах и после десятилетий исследований и разработок, наконец, была достигнута успешная коммерциализация лазерных диодов (ЛД) для ряда приложений с длинами волн в диапазоне от инфракрасного до сине-фиолетового. Примеры этой технологии включают устройства оптической связи с инфракрасными LD и диски Blu-ray с использованием сине-фиолетовых LD.
Однако, несмотря на усилия исследовательских групп по всему миру, разработать ЛД глубокого ультрафиолета не удалось никому. Ключевой прорыв произошел только после 2007 года, когда появилась технология изготовления подложек из нитрида алюминия (AlN), идеального материала для выращивания пленки нитрида алюминия-галлия (AlGaN) для устройств, излучающих УФ-излучение.
Демонстрация непрерывной генерации при комнатной температуре. Предоставлено: 2022 Asahi Kasei Corp. и Университет Нагоя.
Начиная с 2017 года исследовательская группа профессора Амано в сотрудничестве с Asahi Kasei, компанией, которая предоставила 2-дюймовые подложки AlN, начала разработку глубокого ультрафиолетового LD. Сначала подача достаточного тока в устройство была слишком сложной, что препятствовало дальнейшему развитию лазерных диодов УФ-С.
Но в 2019 году исследовательская группа успешно решила эту проблему, используя метод легирования, вызванный поляризацией. Впервые они создали коротковолновый ультрафиолетовый-видимый (УФ-С) ЛД, работающий с короткими импульсами тока. Однако входная мощность, необходимая для этих импульсов тока, составляла 5,2 Вт. Это было слишком много для непрерывной генерации, поскольку мощность вызывала быстрый нагрев диода и прекращение генерации.
Исследователи, успешно осуществившие первую в мире непрерывную генерацию лазерного диода глубокого ультрафиолетового излучения при комнатной температуре. Предоставлено: 2022 Asahi Kasei Corp. и Университет Нагоя.
Но теперь исследователи из Университета Нагоя и Асахи Касей изменили структуру самого устройства, уменьшив мощность привода, необходимую для работы лазера, всего до 1,1 Вт при комнатной температуре. Было обнаружено, что более ранние устройства требуют высоких уровней рабочей мощности из-за невозможности эффективных путей тока из-за дефектов кристалла, возникающих на лазерной полоске. Но в этом исследовании ученые обнаружили, что эти дефекты создает сильная деформация кристалла.
Грамотно подобрав боковые стенки лазерной полоски, они подавили дефекты, добившись эффективного протекания тока в активную область лазерного диода и снизив рабочую мощность.
Платформа отраслевого и академического сотрудничества Нагойского университета под названием Центр комплексных исследований будущей электроники, средств трансформационной электроники (C-TEF) сделала возможной разработку новой технологии УФ-лазера. В рамках C-TEF исследователи из таких партнеров, как Асахи Касей, делят доступ к современным объектам в кампусе Университета Нагоя, предоставляя им людей и инструменты, необходимые для создания воспроизводимых высококачественных устройств.
Чжан Цзыи, представитель исследовательской группы, учился в Asahi Kasei на втором курсе, когда стал участвовать в создании проекта. «Я хотел сделать что-то новое», — сказал он в интервью. «В то время все считали, что лазерный диод глубокого ультрафиолета невозможен, но профессор Амано сказал мне: «Мы добрались до синего лазера, теперь пришло время для ультрафиолета».
Это исследование является важной вехой в практическом применении и разработке полупроводниковых лазеров во всех диапазонах длин волн. В будущем УФ-С-ЛД могут применяться в здравоохранении, обнаружении вирусов, измерении твердых частиц, анализе газов и лазерной обработке с высоким разрешением.
«Его применение в технологии стерилизации может стать революционным», — сказал Чжан. «В отличие от современных методов светодиодной стерилизации, которые неэффективны по времени, лазеры могут дезинфицировать большие площади за короткое время и на больших расстояниях». Эта технология может быть особенно полезна хирургам и медсестрам, которым нужны стерилизованные операционные и водопроводная вода.
Об успешных результатах сообщалось в двух статьях в Applied Physics Letters.
