Il laser organico completamente elettrico è il primo – Physics World

I ricercatori della St Andrews University in Scozia hanno realizzato il primo laser a semiconduttore organico che non richiede una sorgente luminosa separata per funzionare, qualcosa che si è rivelato estremamente impegnativo. Il nuovo laser, completamente elettrico, è più compatto dei dispositivi precedenti e opera nella regione visibile dello spettro elettromagnetico. Pertanto, i suoi sviluppatori affermano che potrebbe trovare utilizzo in applicazioni come il rilevamento e la spettroscopia.

I laser funzionano facendo rimbalzare la luce avanti e indietro molte volte in una cavità ottica comprendente un mezzo di guadagno inserito tra due specchi. Mentre la luce si riflette avanti e indietro tra gli specchi, il mezzo di guadagno la amplifica, stimolando l'emissione di più luce e creando un fascio coerente con una gamma spettrale molto ristretta.

Il primo laser organico, ovvero realizzato con un materiale a base di carbonio, è stato creato nel 1992. Quel laser, tuttavia, utilizzava una sorgente luminosa separata per guidare il suo mezzo di guadagno, il che ne complicava la progettazione e ne limitava le applicazioni. Da allora, i ricercatori hanno cercato di trovare un modo per realizzare un laser organico che funzioni utilizzando solo un campo elettrico per azionarlo, ma senza successo. "Questa è stata quindi una grande sfida nel campo degli ultimi 30 anni", spiega il fisico Io per Samuel, che ha co-condotto il nuovo studio insieme al suo St Andrews collega Graham Turnbull.

Innanzitutto, batti un record mondiale

Esistono due strategie principali per progettare un laser organico azionato elettricamente, spiega Samuel. Il primo consiste nel posizionare contatti elettrici sul mezzo di guadagno organico del laser e iniettare cariche attraverso di essi. Tuttavia, è difficile realizzare un laser in questo modo perché le cariche iniettate assorbono la luce attraverso lo spettro di luminescenza del materiale attraverso i cosiddetti stati di tripletto. Anche i contatti stessi assorbono la luce. "Poiché un laser ha bisogno di guadagno (amplificazione ottica) per superare le perdite, questo assorbimento della luce rappresenta un'enorme barriera", afferma Samuel.

Nel nuovo lavoro, che è dettagliato in Natura, i ricercatori hanno affrontato questo problema nel secondo modo: distanziando spazialmente le cariche, le triplette e i contatti dal mezzo di guadagno del laser. Anche questo, tuttavia, non è stato un compito facile, poiché significava che dovevano realizzare un diodo organico a emissione di luce (OLED) blu pulsato con un'intensità di emissione luminosa da record mondiale per pilotare il mezzo di guadagno. Hanno quindi dovuto trovare un modo per accoppiare tutta la luce di questo OLED nel laser, che hanno realizzato con un sottile strato di polimero semiconduttore che emette luce verde.

“Per realizzare il dispositivo, abbiamo inizialmente fabbricato separatamente l’OLED e la cavità del laser prima di trasferire l’OLED, su un substrato di soli pochi micron di spessore, sulla superficie della guida d’onda del laser”, afferma. “L’attenta integrazione delle due sezioni è stata fondamentale affinché il mezzo di guadagno potesse accedere all’intensa elettroluminescenza generata internamente nell’OLED”.

Per completare il progetto, il team ha utilizzato un reticolo di diffrazione nel laser a film sottile per fornire un feedback distribuito dell’emissione di luce stimolata nel piano del film, diffrangendo al contempo un raggio laser in uscita dalla superficie.

Una tecnologia lenta accelera

I dispositivi a semiconduttore organico sono ampiamente considerati una tecnologia “lenta” perché la mobilità della carica nei materiali organici è in genere inferiore di ordini di grandezza rispetto a quella del silicio o dei semiconduttori cristallini III-V. Turnbull, tuttavia, ritiene che le innovazioni del team potrebbero iniziare a cambiare questa percezione. "Il nostro lavoro sta spingendo questi materiali in uno schema operativo molto veloce e intenso", dice Mondo della fisica.

Il nuovo laser a semiconduttore fornisce un'elevata potenza a una singola frequenza

Per quanto riguarda le applicazioni, i ricercatori affermano che i nuovi laser a semiconduttore organico completamente elettrici sarebbero facili da integrare nei dispositivi medici dei punti di cura che utilizzano il rilevamento basato sulla luce e la spettroscopia per diagnosticare malattie o monitorare i sintomi. “La guida elettrica elimina la necessità di una fonte di luce separata per alimentarli, il che dovrebbe ampliare le potenziali applicazioni”, afferma Turnbull.

C'è ancora del lavoro da fare, tuttavia, per ottimizzare la potenza di uscita e l'efficienza del nuovo laser e per ampliare la sua emissione di luce attraverso lo spettro visibile. “La prossima grande sfida sul campo sarà quella di realizzare laser a semiconduttore organico a onda continua, che richiederanno un ulteriore controllo della fastidiosa popolazione di tripletti”, conclude Turnbull.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/all-electric-organic-laser-is-a-first/