Το πλήρως ηλεκτρικό οργανικό λέιζερ είναι ένα πρώτο – Physics World

Το πλήρως ηλεκτρικό οργανικό λέιζερ είναι ένα πρώτο – Physics World

Χρονική σήμανση: 14 Νοεμβρίου 2023 4:33 π.μ.

Ένα σχηματικό διάγραμμα του νέου λέιζερ με αντλία OLED
Σχηματικό σχέδιο της συσκευής. Το οργανικό LED βρίσκεται στο επάνω μέρος – οργανικά στρώματα μεταξύ των επαφών. Εφαρμόζεται μια τάση σε αυτό, εγχέοντας φορτία και δημιουργώντας φως που στη συνέχεια διεγείρει το οργανικό λέιζερ (κάτω μισό του σχήματος). Το οργανικό λέιζερ περιέχει ένα πλέγμα, εφαρμόζει ανάδραση και επίσης διαθλά μέρος του φωτός λέιζερ έξω από τη δομή - το κίτρινο βέλος στο σχήμα. (Ευγενική προσφορά: Kou Yoshida)

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο St Andrews στη Σκωτία έφτιαξαν το πρώτο οργανικό λέιζερ ημιαγωγών που δεν απαιτεί ξεχωριστή πηγή φωτός για να λειτουργήσει – κάτι που είχε αποδειχθεί εξαιρετικά προκλητικό. Το νέο πλήρως ηλεκτροκίνητο λέιζερ είναι πιο συμπαγές από προηγούμενες συσκευές και λειτουργεί στην ορατή περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Ως εκ τούτου, οι προγραμματιστές του λένε ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπως η ανίχνευση και η φασματοσκοπία.

Τα λέιζερ λειτουργούν αναπηδώντας φως μπρος-πίσω πολλές φορές σε μια οπτική κοιλότητα που περιλαμβάνει ένα μέσο απολαβής που βρίσκεται ανάμεσα σε δύο καθρέφτες. Καθώς το φως ανακλάται εμπρός και πίσω μεταξύ των καθρεφτών, το μέσο απολαβής το ενισχύει, διεγείροντας την εκπομπή περισσότερου φωτός και δημιουργώντας μια συνεκτική δέσμη με πολύ στενό φασματικό εύρος.

Το πρώτο οργανικό λέιζερ –δηλαδή κατασκευασμένο από υλικό με βάση τον άνθρακα– δημιουργήθηκε το 1992. Αυτό το λέιζερ, ωστόσο, χρησιμοποίησε μια ξεχωριστή πηγή φωτός για να κινήσει το μέσο απολαβής του, κάτι που περιέπλεξε το σχεδιασμό του και περιόρισε τις εφαρμογές του. Έκτοτε, οι ερευνητές προσπάθησαν να βρουν έναν τρόπο να φτιάξουν ένα οργανικό λέιζερ που λειτουργεί χρησιμοποιώντας μόνο ηλεκτρικό πεδίο για να το κινήσει, αλλά χωρίς επιτυχία. «Αυτή είναι επομένως μια μεγάλη πρόκληση στον τομέα τα τελευταία 30 χρόνια», εξηγεί ο φυσικός Ifor Samuel, ο οποίος ηγήθηκε της νέας μελέτης με τον δικό του St Andrews συνάδελφος Γκράχαμ Τέρνμπουλ.

Πρώτα, σπάστε ένα παγκόσμιο ρεκόρ

Υπάρχουν δύο κύριες στρατηγικές για το σχεδιασμό ενός ηλεκτρικά οδηγούμενου οργανικού λέιζερ, εξηγεί ο Samuel. Η πρώτη είναι η τοποθέτηση ηλεκτρικών επαφών στο οργανικό μέσο κέρδους λέιζερ και η έγχυση φορτίων μέσω αυτών. Ωστόσο, είναι δύσκολο να κατασκευαστεί ένα λέιζερ με αυτόν τον τρόπο, επειδή τα εγχυόμενα φορτία απορροφούν φως σε όλο το φάσμα φωταύγειας του υλικού μέσω των λεγόμενων τριπλών καταστάσεων. Οι ίδιες οι επαφές απορροφούν επίσης φως. «Δεδομένου ότι ένα λέιζερ χρειάζεται κέρδος (οπτική ενίσχυση) για να υπερβεί τις απώλειες, αυτή η απορρόφηση φωτός είναι ένα τεράστιο εμπόδιο», λέει ο Samuel.

Στη νέα εργασία, η οποία αναλύεται στο Φύση, οι ερευνητές αντιμετώπισαν αυτό το πρόβλημα με τον δεύτερο τρόπο: απομακρύνοντας χωρικά τα φορτία, τις τριπλέτες και τις επαφές από το μέσο κέρδους λέιζερ. Ωστόσο, ούτε αυτό ήταν εύκολο έργο, καθώς σήμαινε ότι έπρεπε να φτιάξουν μια παλμική μπλε οργανική δίοδο εκπομπής φωτός (OLED) με ένταση εξόδου φωτός παγκόσμιου ρεκόρ για να οδηγήσουν το μέσο απολαβής. Στη συνέχεια χρειάστηκε να βρουν έναν τρόπο να συνδέσουν όλο αυτό το φως της OLED στο λέιζερ, το οποίο κατασκεύασαν από ένα λεπτό στρώμα πολυμερούς ημιαγωγού που εκπέμπει πράσινο φως.

«Για να κατασκευάσουμε τη συσκευή, κατασκευάσαμε αρχικά την κοιλότητα OLED και λέιζερ χωριστά πριν μεταφέρουμε το OLED, σε ένα υπόστρωμα πάχους μόνο λίγων microns, στην επιφάνεια του κυματοδηγού λέιζερ», λέει. "Η προσεκτική ενσωμάτωση των δύο τμημάτων ήταν ζωτικής σημασίας για το μέσο απολαβής για πρόσβαση στην έντονη ηλεκτροφωταύγεια που παράγεται εσωτερικά στο OLED."

Για να ολοκληρώσει το σχέδιο, η ομάδα χρησιμοποίησε ένα πλέγμα περίθλασης στο λέιζερ λεπτής μεμβράνης για να παρέχει μια κατανεμημένη ανάδραση της διεγερμένης εκπομπής φωτός στο επίπεδο της μεμβράνης, ενώ διέθλασε μια δέσμη λέιζερ εξόδου από την επιφάνεια.

Μια αργή τεχνολογία επιταχύνει

Οι οργανικές συσκευές ημιαγωγών θεωρούνται ευρέως ως μια «αργή» τεχνολογία επειδή η κινητικότητα φορτίου στα οργανικά υλικά είναι συνήθως τάξεις μεγέθους χαμηλότερη από ό,τι για τους κρυσταλλικούς ημιαγωγούς πυριτίου ή III-V. Ο Turnbull, ωστόσο, πιστεύει ότι οι καινοτομίες της ομάδας θα μπορούσαν να αρχίσουν να αλλάζουν αυτή την αντίληψη. «Η δουλειά μας ωθεί αυτά τα υλικά σε ένα πολύ γρήγορο και έντονο σχήμα λειτουργίας», λέει Κόσμος Φυσικής.

Όσον αφορά τις εφαρμογές, οι ερευνητές λένε ότι τα νέα πλήρως ηλεκτρικά λέιζερ οργανικών ημιαγωγών θα είναι εύκολο να ενσωματωθούν σε ιατρικές συσκευές σημείου φροντίδας που χρησιμοποιούν ανίχνευση και φασματοσκοπία με βάση το φως για τη διάγνωση ασθένειας ή την παρακολούθηση συμπτωμάτων. «Η ηλεκτρική οδήγηση αφαιρεί την ανάγκη για ξεχωριστή πηγή φωτός για την άντλησή τους, η οποία θα διευρύνει τις πιθανές εφαρμογές», λέει ο Turnbull.

Ωστόσο, πρέπει να γίνει περαιτέρω δουλειά για τη βελτιστοποίηση της ισχύος εξόδου και της απόδοσης του νέου λέιζερ και για τη διεύρυνση της απόδοσης φωτός του σε όλο το ορατό φάσμα. «Η επόμενη μεγάλη πρόκληση στον τομέα θα είναι η κατασκευή λέιζερ οργανικών ημιαγωγών συνεχούς κύματος, τα οποία θα χρειαστούν περαιτέρω έλεγχο του ενοχλητικού πληθυσμού τριπλέτας», καταλήγει ο Turnbull.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής