A teljesen elektromos szerves lézer az első – a fizika világában

A teljesen elektromos szerves lézer az első – a fizika világában

Időbélyeg: 14. november 2023. 4:33

Az új OLED-szivattyús lézer sematikus diagramja
A készülék vázlata. A szerves LED a tetején található – szerves rétegek az érintkezők között. Feszültséget kapcsolnak rá, töltéseket injektálva és fényt generálva, amely azután gerjeszti a szerves lézert (az ábra alsó fele). A szerves lézer rácsot tartalmaz, visszacsatolást ad, és a lézerfény egy részét is kihajtja a szerkezetből – a sárga nyíl az ábrán. (jóvoltából: Kou Yoshida)

A skóciai St Andrews Egyetem kutatói elkészítették az első olyan szerves félvezető lézert, amelynek működéséhez nincs szükség külön fényforrásra – ami rendkívül nagy kihívásnak bizonyult. Az új, teljesen elektromos meghajtású lézer kompaktabb, mint a korábbi készülékek, és az elektromágneses spektrum látható tartományában működik. Mint ilyen, a fejlesztők azt mondják, hogy hasznos lehet olyan alkalmazásokban, mint az érzékelés és a spektroszkópia.

A lézerek úgy működnek, hogy sokszor oda-vissza visszaverik a fényt egy olyan optikai üregben, amely két tükör közé szorult erősítőközeget tartalmaz. Ahogy a fény oda-vissza visszaverődik a tükrök között, az erősítő közeg felerősíti azt, több fény kibocsátását serkenti, és koherens sugarat hoz létre nagyon szűk spektrális tartományban.

Az első szerves lézert – vagyis egy szénalapú anyagból készültet – 1992-ben hozták létre. Ez a lézer azonban külön fényforrást használt az erősítő közeg meghajtására, ami bonyolulttá tette a tervezést és korlátozta az alkalmazásokat. A kutatók azóta is olyan szerves lézer előállítására törekednek, amely csak elektromos mezőt használ a meghajtásához, de sikertelenül. „Ez tehát óriási kihívást jelentett a területen az elmúlt 30 évben” – magyarázza a fizikus Sámuelért, aki az övével együtt vezette az új tanulmányt St Andrews kolléga Graham Turnbull.

Először is döntsd meg a világrekordot

Az elektromos hajtású szerves lézer tervezésének két fő stratégiája van, magyarázza Samuel. Az első az elektromos érintkezők elhelyezése a szerves lézererősítő közegben, és töltések injektálása rajtuk keresztül. Nehéz azonban lézert ilyen módon készíteni, mert a beinjektált töltések az anyag lumineszcencia spektrumán keresztül abszorbeálják a fényt úgynevezett triplett állapotokon keresztül. Maguk az érintkezők is elnyelik a fényt. „Mivel a lézernek erősítésre (optikai erősítésre) van szüksége a veszteségek túllépéséhez, ez a fényelnyelés óriási akadályt jelent” – mondja Samuel.

Az új műben, amelyet részletesen a Természet, a kutatók ezt a problémát a második módon kezelték: a töltések, hármasok és érintkezők térbeli elhatárolásával a lézeres erősítő közegtől. Azonban ez sem volt egyszerű feladat, hiszen egy pulzáló kék szerves fénykibocsátó diódát (OLED) kellett készíteni világrekord fénykimeneti intenzitással az erősítő közeg meghajtásához. Ezután ki kellett találniuk a módját, hogyan kapcsolják össze az OLED fényét a lézerrel, amelyet egy vékony, zöld fényt kibocsátó félvezető polimer rétegből készítettek.

„Az eszköz elkészítéséhez először külön készítettük el az OLED-et és a lézerüreget, mielőtt az OLED-et egy mindössze néhány mikron vastagságú hordozón a lézeres hullámvezető felületére vittük volna” – mondja. „A két rész gondos integrálása kulcsfontosságú volt ahhoz, hogy az erősítő közeg hozzáférjen az OLED-ben belül generált intenzív elektrolumineszcenciához.”

A tervezés befejezéséhez a csapat egy diffrakciós rácsot használt a vékonyréteg-lézerben, hogy elosztott visszacsatolást biztosítson a stimulált fénykibocsátásról a film síkjában, miközben elterelte a kimenő lézersugarat a felületről.

A lassú technológia felgyorsul

A szerves félvezető eszközöket széles körben „lassú” technológiának tekintik, mivel a szerves anyagok töltésmobilitása jellemzően nagyságrendekkel kisebb, mint a szilícium vagy a III-V kristályos félvezetőké. Turnbull azonban úgy gondolja, hogy a csapat újításai megváltoztathatják ezt a felfogást. „Munkánkkal ezeket az anyagokat egy nagyon gyors és intenzív működési rendszerbe toljuk” – mondja Fizika Világa.

Ami az alkalmazásokat illeti, a kutatók azt mondják, hogy az új, teljesen elektromos szerves félvezető lézereket egyszerűen integrálható lenne olyan egészségügyi eszközökbe, amelyek fényalapú érzékelést és spektroszkópiát használnak a betegségek diagnosztizálására vagy a tünetek monitorozására. „Az elektromos hajtás miatt nincs szükség külön fényforrásra a szivattyúzásukhoz, ami kibővíti a lehetséges alkalmazásokat” – mondja Turnbull.

Továbbra is van azonban tennivaló az új lézer kimeneti teljesítményének és hatékonyságának optimalizálása, valamint a fénykibocsátásának a látható spektrumban való kiterjesztése érdekében. „A következő nagy kihívás ezen a területen a folyamatos hullámú szerves félvezető lézerek gyártása lesz, amihez további ellenőrzésre lesz szükség a problémás hármaspopuláció felett” – összegzi Turnbull.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa