Ученые успешно провели первую в мире непрерывную генерацию глубокого ультрафиолетового лазерного диода при комнатной температуре (длины волн вплоть до УФ-C). Эти результаты могут стать первым шагом к глобальному переоснащению техники в множестве областей.
С тех пор как лазеры были представлены в 1960-х годах и после десятилетий исследований и разработок, наконец, была достигнута успешная коммерциализация лазерных диодов (ЛД) для ряда приложений с длинами волн в диапазоне от инфракрасного до сине-фиолетового. Примеры этой технологии включают устройства оптической связи с инфракрасными LD и всем известные компакт-диски. Однако, несмотря на усилия исследовательских групп по всему миру, разработать ЛД глубокого ультрафиолета не удалось никому. Ключевой прорыв произошел только после 2007 года, когда появилась технология изготовления подложек из нитрида алюминия (AlN), идеального материала для выращивания пленки нитрида алюминия-галлия (AlGaN) для устройств, излучающих УФ-спектр.
Начиная с 2017 года исследовательская группа профессора Амано в сотрудничестве с Asahi Kasei, компанией, которая предоставила 2-дюймовые подложки AlN, начала разработку глубокого ультрафиолетового LD. Сначала подача достаточного тока в устройство была слишком сложной, что препятствовало дальнейшему развитию лазерных диодов УФ-С. Но в 2019 году исследовательская группа успешно решила эту проблему, используя метод легирования, вызванный поляризацией. Впервые они создали коротковолновый ультрафиолетовый-видимый (УФ-С) ЛД, работающий с короткими импульсами тока. Однако входная мощность, необходимая для этих импульсов тока, составляла 5,2 Вт. Это было слишком много для непрерывной генерации, поскольку мощность вызывала быстрый нагрев диода и прекращение генерации.
Но теперь исследователи изменили структуру самого устройства, уменьшив мощность привода, необходимую для работы лазера, всего до 1,1 Вт при комнатной температуре. Было обнаружено, что более ранние устройства требуют высоких уровней рабочей мощности из-за невозможности эффективных путей тока из-за дефектов кристалла, возникающих на лазерной полоске. Но в этом исследовании ученые обнаружили, что эти дефекты создает сильная деформация кристалла. Грамотно подобрав боковые стенки лазерной полоски, они подавили дефекты, добившись эффективного протекания тока в активную область лазерного диода и снизив рабочую мощность.
Это исследование является важной вехой в практическом применении и разработке полупроводниковых лазеров во всех диапазонах длин волн. В будущем УФ-С-ЛД могут применяться в здравоохранении, обнаружении вирусов, измерении твердых частиц, анализе газов и лазерной обработке с высоким разрешением. Его применение в технологии стерилизации может стать новаторским. В отличие от нынешних методов светодиодной стерилизации, которые неэффективны по времени, лазеры могут дезинфицировать большие площади за короткое время и на больших расстояниях.