Pierwszy laser VCSEL na koloidalnych kropkach kwantowych

Artykuły
Brak komentarzy
Drukuj

Amerykańscy naukowcy skonstruowali nowy rodzaj lasera półprzewodnikowego zdolnego do emisji światła o różnych długościach fali. Wszystko to dzięki zastosowaniu w urządzeniu koloidalnych kropek kwantowych (CQDs) (ang. colloidal quantum dots), których rozmiar determinuje długość fali emitowanego przez nie światła.

Lasery półprzewodnikowe znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, począwszy od odtwarzaczy DVD a kończąc na optycznych sieciach telekomunikacyjnych. Chociaż są one stosunkowo wydajne i niedrogie w produkcji, barwa emitowanego przez nie światła jest ściśle uzależniona od przerwy energetycznej zastosowanego w nich półprzewodnika. Oznacza to, że aby wygenerować światło o różnych długościach fali, koniecznym staje się zastosowanie wielu różnych materiałów „upakowanych” w jednym urządzeniu, co z punktu technologicznego jest niezwykle trudnym zadaniem.

Koloidalne kropki kwantowe

Arto Nurmikko wraz ze współpracownikami z Brown University (USA) stworzyli nowy rodzaj lasera półprzewodnikowego zdolnego generować światło o różnych długościach fali, przy wykorzystaniu w nim tylko jednego rodzaju materiału. Urządzenie to nazwane przez naukowców laserem złączowym o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową opartym na koloidalnych kropkach kwantowych (CQD-VCSEL) (ang. colloidal quantum dots vertical-cavity surface-emitting laser) zalicza się do grupy laserów VCSEL. W laserach VCSEL dostępnych obecnie na rynku rolę ośrodka aktywnego optycznie pełni cienka warstwa półprzewodnika. W laserze skonstruowanym przez grupę Nurmikko, ośrodek aktywny optycznie stanowi cienka warstwa koloidalnych kropek kwantowych, o nanometrowych średnicach, wytworzonych z półprzewodnikowego selenku kadmu (CdSe). W trakcie badań naukowcy używali kropek kwantowych o średnicach 4,2 nm – aby stworzyć laser emitujący światło czerwone, 3,2 nm – laser zielony oraz 2,5 nm – laser niebieski.

laser VCSEL bazujący na kropkach kwantowych z InGaN

Koloidalne kropki kwantowe powstały w procesie tzw. „mokrej” chemii (ang. wet-chemistry process) pozwalającej otrzymać koloidalną zawiesinę w roztworze cieczy. Maleńka kropla tej mieszaniny była umieszczana pomiędzy dwiema powierzchniami rozproszonych zwierciadeł Bragga (DBR) (ang. distributed Bragg reflector). Zwierciadło Bragga to specjalny rodzaj luster stosowany w laserach VCSEL w celu wytworzenia w nich mikronowej grubości warstwy aktywnej optycznie. Badania nad tego rodzaju strukturami przeprowadzano z użyciem laserów emitujących bardzo krótkie impulsy światła. Celem tego procesu było wzbudzanie kropek kwantowych do wyższych stanów energetycznych, charakteryzujących się powstawaniem ekscytonów, czyli związanych par elektron-dziura. Konsekwencją procesu rozpadu ekscytonów była emisja fotonów, które odbijały się następnie pomiędzy zwierciadłami Bragga i stymulowały emisją identycznych fotonów. W rezultacie, badany układ działał jak laser.

Jednakże, aby proces opisany powyżej mógł rzeczywiście zachodzić należało pobudzić wystarczającą ilość kropek kwantowych, a więc koniecznym stało się użycie impulsów laserowych o bardzo dużej mocy. Wadą tego rozwiązania było pobudzanie więcej niż jednego ekscytonu w kropkach kwantowych, co z kolei zwiększało prawdopodobieństwo emisji elektronu (wskutek efektu Augera), zamiast emisji fotonu. Powodowało to zmniejszenie wydajności tychże urządzeń, co czyniło je praktycznie bezużytecznymi. Aby wyeliminować wspomniany problem koloidalne kropki kwantowe pokryto stopem cynku, kadmu oraz siarki. Zespół Nurmikko odkrył, że zastosowanie takich kropek inicjowało akcję laserową, gdy każda z nich posiadała średnio jeden, spułapkowany w jej wnętrzu, ekscyton. Dzięki temu udało się zmniejszyć moc pobudzania próbki około tysiąc razy w porównaniu z urządzeniami opartymi na konwencjonalnych kropkach kwantowych.

Kolejny krok – ciągła emisja światła

Yury Rakovich z University of the Basque Country w Hiszpanii opisał pracę zespołu Nurmikko jako „bardzo dobrą i przekonującą”. Dodał, że urządzenie to „jest znaczącym krokiem wykonanym w kierunku laserów bazujących na jednym materiale i emitujących nie tylko światło o jednej ściśle określonej długości fali, lecz z całego spektrum światła widzialnego”. Wspomniał również, że następnym krokiem powinno być ustalenie, czy lasery te będą również działać w trybie pracy ciągłej.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com

Dodaj komentarz