Helelektrisk organisk laser er en første – Physics World

Helelektrisk organisk laser er en første – Physics World

Tidsstempel: 14. november 2023 kl. 4

Et skematisk diagram af den nye OLED-pumpede laser
Et skema af enheden. Den organiske LED er øverst - organiske lag mellem kontakterne. En spænding påføres det, der injicerer ladninger og genererer lys, der derefter exciterer den organiske laser (nedre halvdel af figuren). Den organiske laser indeholder et gitter, påfører feedback og afleder også noget af laserlyset ud af strukturen – den gule pil i figuren. (Med høflighed: Kou Yoshida)

Forskere ved St Andrews University i Skotland har lavet den første organiske halvlederlaser, der ikke kræver en separat lyskilde for at fungere - noget, der havde vist sig ekstremt udfordrende. Den nye helt elektrisk drevne laser er mere kompakt end tidligere enheder og fungerer i det synlige område af det elektromagnetiske spektrum. Som sådan siger dets udviklere, at det kan finde anvendelse i applikationer som sansning og spektroskopi.

Lasere fungerer ved at hoppe lys frem og tilbage mange gange i et optisk hulrum, der består af et forstærkningsmedium, der er klemt mellem to spejle. Når lyset reflekteres frem og tilbage mellem spejlene, forstærker forstærkningsmediet det, hvilket stimulerer emissionen af ​​mere lys og skaber en sammenhængende stråle med et meget snævert spektralområde.

Den første organiske laser – det vil sige en lavet af et kulstofbaseret materiale – blev skabt i 1992. Den laser brugte dog en separat lyskilde til at drive sit forstærkningsmedium, hvilket komplicerede dets design og begrænsede dets anvendelser. Lige siden har forskere forsøgt at finde en måde at lave en organisk laser, der kun virker ved at bruge et elektrisk felt til at drive den, men uden held. "Dette har derfor været en stor udfordring på området i de sidste 30 år," forklarer fysiker For Samuel, der ledede den nye undersøgelse sammen med sin St. Andrews kollega Graham Turnbull.

Først skal du slå en verdensrekord

Der er to hovedstrategier til at designe en elektrisk drevet organisk laser, forklarer Samuel. Den første er at placere elektriske kontakter på det organiske laserforstærkningsmedium og injicere ladninger gennem dem. Det er dog svært at lave en laser på denne måde, fordi de indsprøjtede ladninger absorberer lys over materialets luminescensspektrum via såkaldte triplettilstande. Kontakterne selv absorberer også lys. "Da en laser har brug for forstærkning (optisk forstærkning) for at overstige tabene, er denne lysabsorption en enorm barriere," siger Samuel.

I det nye værk, som er detaljeret i Natur, tacklede forskerne dette problem på den anden måde: ved rumlig at distancere ladningerne, trillingerne og kontakterne fra laserforstærkningsmediet. At gøre dette var dog heller ikke nogen nem opgave, da det betød, at de skulle lave en pulserende blå organisk lysdiode (OLED) med verdensrekord lysoutputintensitet for at drive forstærkningsmediet. De skulle derefter finde ud af en måde at koble alt dette OLED-lys ind i laseren, som de lavede af et tyndt lag af halvlederpolymer, der udsender grønt lys.

"For at lave enheden fremstillede vi oprindeligt OLED'en og laserhulrummet separat, før vi overførte OLED'en på et substrat med kun få mikrons tykkelse til overfladen af ​​laserbølgelederen," siger han. "Omhyggelig integration af de to sektioner var afgørende for forstærkningsmediet for at få adgang til den intense elektroluminescens genereret internt i OLED."

For at fuldende designet brugte holdet et diffraktionsgitter i tyndfilmslaseren til at give en distribueret feedback af stimuleret lysemission i filmens plan, mens de diffrakterede en outputlaserstråle fra overfladen.

En langsom teknologi accelererer

Organiske halvlederenheder er almindeligt opfattet som en "langsom" teknologi, fordi ladningsmobiliteten i organiske materialer typisk er størrelsesordener lavere end for silicium eller III-V krystallinske halvledere. Turnbull mener dog, at holdets innovationer kan begynde at ændre denne opfattelse. "Vores arbejde er at skubbe disse materialer ind i en meget hurtig og intens driftsplan," fortæller han Fysik verden.

Hvad angår applikationer, siger forskerne, at de nye helelektriske organiske halvlederlasere ville være ligetil at integrere i medicinsk udstyr, der bruger lysbaseret sensing og spektroskopi til at diagnosticere sygdom eller overvåge symptomer. "Elektrisk kørsel fjerner behovet for en separat lyskilde til at pumpe dem, hvilket bør udvide potentielle anvendelser," siger Turnbull.

Der er dog yderligere arbejde at gøre for at optimere den nye lasers udgangseffekt og effektivitet og for at udvide dens lysoutput på tværs af det synlige spektrum. "Den næste store udfordring på området bliver at lave kontinuerlige organiske halvlederlasere, som vil have brug for yderligere kontrol af den besværlige tripletpopulation," slutter Turnbull.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden