Povsem električni organski laser je prvi – Physics World

Povsem električni organski laser je prvi – Physics World

Časovni žig: 14. november 2023 4:33

Shematski diagram novega laserja, ki ga črpa OLED
Shema naprave. Organska LED je na vrhu – organske plasti med kontakti. Nanj deluje napetost, ki vbrizga naboje in ustvari svetlobo, ki nato vzbudi organski laser (spodnja polovica slike). Organski laser vsebuje rešetko, uporablja povratno informacijo in tudi ukloni del laserske svetlobe iz strukture – rumena puščica na sliki. (Z dovoljenjem: Kou Yoshida)

Raziskovalci na Univerzi St Andrews na Škotskem so izdelali prvi organski polprevodniški laser, ki za delovanje ne potrebuje ločenega vira svetlobe – nekaj, kar se je izkazalo za izjemno zahtevno. Novi popolnoma električno gnani laser je kompaktnejši od prejšnjih naprav in deluje v vidnem območju elektromagnetnega spektra. Kot tak njegovi razvijalci pravijo, da bi ga lahko našli v aplikacijah, kot sta zaznavanje in spektroskopija.

Laserji delujejo tako, da svetlobo večkrat odbijajo naprej in nazaj v optični votlini, ki vsebuje ojačevalni medij, stisnjen med dve zrcali. Ko se svetloba odbija naprej in nazaj med ogledali, jo ojačevalni medij ojača, spodbuja emisijo več svetlobe in ustvarja koherenten žarek z zelo ozkim spektralnim območjem.

Prvi organski laser – torej tisti, izdelan iz materiala na osnovi ogljika – je bil ustvarjen leta 1992. Ta laser pa je uporabljal ločen svetlobni vir za pogon svojega ojačitvenega medija, kar je zapletlo njegovo zasnovo in omejilo njegovo uporabo. Vse od takrat so raziskovalci poskušali najti način za izdelavo organskega laserja, ki deluje samo z električnim poljem za pogon, vendar brez uspeha. "To je bil torej velik izziv na tem področju zadnjih 30 let," pojasnjuje fizik Če za Samuela, ki je skupaj s svojim vodil novo študijo St Andrews Sodelavec Graham Turnbull.

Najprej podreti svetovni rekord

Obstajata dve glavni strategiji za načrtovanje organskega laserja na električni pogon, pojasnjuje Samuel. Prvi je postavitev električnih kontaktov na organski laserski pridobitveni medij in vbrizgavanje nabojev skozi njih. Težko pa je narediti laser na ta način, ker vbrizgani naboji absorbirajo svetlobo po spektru luminiscence materiala prek tako imenovanih tripletnih stanj. Tudi sami kontakti absorbirajo svetlobo. »Ker laser potrebuje ojačanje (optično ojačanje), da preseže izgube, je ta absorpcija svetlobe velika ovira,« pravi Samuel.

V novem delu, ki je podrobno opisano v Narava, so se raziskovalci tega problema lotili na drugi način: s prostorskim oddaljevanjem nabojev, trojčkov in kontaktov od laserskega medija. Vendar tudi to ni bila lahka naloga, saj je to pomenilo, da so morali izdelati pulzno modro organsko svetlečo diodo (OLED) s svetovno rekordno jakostjo svetlobne moči, ki bo poganjala ojačevalni medij. Nato so morali ugotoviti način, kako združiti vso svetlobo tega OLED-a v laser, ki so ga naredili iz tanke plasti polprevodniškega polimera, ki oddaja zeleno svetlobo.

"Da bi naredili napravo, smo najprej ločeno izdelali OLED in lasersko votlino, preden smo OLED prenesli na substrat debeline le nekaj mikronov na površino laserskega valovoda," pravi. "Previdna integracija obeh odsekov je bila ključnega pomena za pridobitveni medij za dostop do intenzivne elektroluminiscence, ustvarjene interno v OLED."

Za dokončanje zasnove je ekipa uporabila uklonsko rešetko v tankoslojnem laserju, da bi zagotovila porazdeljeno povratno informacijo stimulirane svetlobne emisije v ravnini filma, medtem ko je uklonil izhodni laserski žarek od površine.

Počasna tehnologija pospeši

Organske polprevodniške naprave na splošno veljajo za "počasno" tehnologijo, ker je mobilnost naboja v organskih materialih običajno za rede velikosti nižja kot pri silicijevih ali kristalnih polprevodnikih III-V. Turnbull pa meni, da bi lahko inovacije ekipe začele spreminjati to dojemanje. "Naše delo potiska te materiale v zelo hitro in intenzivno shemo delovanja," pravi Svet fizike.

Kar zadeva aplikacije, raziskovalci pravijo, da bi bilo nove povsem električne organske polprevodniške laserje enostavno vključiti v medicinske pripomočke na mestu oskrbe, ki uporabljajo zaznavanje in spektroskopijo na podlagi svetlobe za diagnosticiranje bolezni ali spremljanje simptomov. »Električna vožnja odpravlja potrebo po ločenem viru svetlobe, ki bi jih črpal, kar bi moralo razširiti potencialne aplikacije,« pravi Turnbull.

Vendar pa je treba še dodatno delati, da bi optimizirali izhodno moč in učinkovitost novega laserja ter razširili njegovo svetlobno moč v vidnem spektru. "Naslednji velik izziv na tem področju bo izdelava neprekinjenih organskih polprevodniških laserjev, ki bodo potrebovali nadaljnji nadzor nad težavno populacijo trojčkov," zaključuje Turnbull.

Časovni žig:

Več od Svet fizike