Лазеры были изобретены в 1960-х годах, и с тех пор они используются во многих современных технологических решениях. Однако до сегодняшнего дня существовали только лазеры отдельных цветов (синие, красные, зелёные), но никому не удавалось объединить все длины волн оптического спектра для создания белого лазера.
Революционную разработку представила команда из Университета Аризоны. Эти учёные доказали, что полупроводниковые лазеры способны излучать полный видимый цветовой спектр, который в сумме даст белый свет.
Ведущий автор исследования Нин Цунь-Чжэн (Cun-Zheng Ning) и его коллеги создали полупроводник длиной в одну пятую от толщины человеческого волоса и толщиной в одну тысячную от той же величины с тремя параллельными сегментами, каждый из которых поддерживает лазерное излучение трёх основных цветов (длин волн) — синего, зелёного и красного.
Устройство способно генерировать свет любой длины волны видимого спектра и при суммировании этих цветов излучать белый свет, рассказывается в статье журнала Nature Nanotechnology.
Белые лазеры обладают большим потенциалом для различного рода применений. Прежде всего, они могут стать заменой привычным для нас светодиодам, поскольку являются более энергоэффективными и излучают более яркий свет. Также группа Цунь-Чжэна утверждает, что их разработка может заменить светодиоды не только в вопросах освещения помещений, но и в дисплеях компьютеров и телевизоров. Расчёты и эксперименты показали, что белые лазеры могут охватить на 70% больше цветов и оттенков видимого спектра, чем существующие сегодня на рынке дисплеи.
Другое немаловажное потенциальное применение — это оптические коммуникации будущего. Эксперты уже не раз говорили, что в ближайшие десятилетия на смену радиоволновому Wi-Fi, скорее всего, придёт Li-Fi, передающий данные на основе света. Учёные подсчитали, что Li-Fi может быть более чем в 10 раз быстрее, чем существующий Wi-Fi, а Li-Fi, работающий на белых лазерах, может быть ещё в 10-100 раз быстрее, чем аналогичная светодиодная технология, которая по-прежнему находится на стадии разработки.
"Концепция белых лазеров, на первый взгляд, противоречит здравому смыслу, поскольку свет обычного лазера содержит ровно один цвет, определённую длину волны электромагнитного спектра, а не широкий диапазон различных длин волн. Белый свет, как правило, рассматривается как смесь всех длин волн видимого спектра", — поясняет Цунь-Чжэн.
Привычные светодиоды белого цвета, как правило, представляют собой синий светодиод, покрытый люминофором для преобразования части синего света в зелёный, жёлтый и красный свет. Подобное смешение цветов воспринимается человеком как обычный белый свет и потому может использоваться для иллюминации помещений.
Добавим, что ещё в 2011 году сотрудники Сандийских национальных лабораторий США продемонстрировали слияние цветов четырёх отдельных цветных лазеров с последующим появлением эффекта белого света. Исследования показали, что подобное излучение воспринимается человеческим глазом столь же комфортно, как и свет от светодиодов. Эта работа и вдохновила команду из Университета Аризоны на дальнейшие исследования, в ходе которых было представлено единое устройство, излучающее белый лазерный свет.
"То, что делали наши коллеги из Сандийских национальных лабораторий, было проверкой концепции, но, к сожалению, не изобретением, пригодным к практическим применениям. Один маленький кусочек полупроводникового материала, излучающий лазерный белый свет — это гораздо более практичная технология, которую можно коммерциализировать", — рассказывает глава исследования в пресс-релизе.
На пути к своему открытию физикам пришлось преодолеть немало трудностей и совершить ряд замысловатых разработок. Как правило, полупроводники, используемые для компьютерных чипов или генерации света в телекоммуникационных системах, способны излучать свет одной длины волны и, соответственно, одного цвета — синего, зелёного или красного — что определяется уникальной атомной структурой материала и шириной запрещённой энергетической зоны.
Для получения всех возможных длин волн в видимом спектральном диапазоне необходимо было получить несколько полупроводников, у каждого из которых должны были быть разные периоды решётки и разные ширины запрещённой энергетической зоны.
"Нашей целью было создание одного куска полупроводникового материала, который можно было бы использовать для генерации трёх основных цветов лазерного излучения. Более того, этот кусок должен быть достаточно мал, чтобы человеческий глаз мог воспринимать исходящее излучение как белое, а не как три отдельных цвета. Это была непростая задача", — рассказывает Цунь-Чжэн.
Основным препятствием на пути к победе, рассказывают исследователи, было так называемое несоответствие параметров кристаллической решётки или слишком большая разница между периодами решётки для разных материалов, используемых в эксперименте. Для преодоления этого обстоятельства Цунь-Чжэн и его коллеги обратились к нанотехнологиям.
Дело в том, что в нанометровом масштабе крупные несоответствия становятся менее заметными для технологии в целом, чем при традиционных методах выращивания цельных материалов. Таким образом, высококачественные кристаллы могут быть выращены даже при больших несоответствиях параметров кристаллической решётки.
Другим важным препятствием стало то, что вырастить полупроводники, излучающие синий свет, оказалось намного сложнее, чем кристаллы для красного или зелёного света. После двухлетних исследований команда, наконец, разработала технологию создания необходимой формы будущей подложки, а затем придумала и оптимальный состав полупроводника, который должен излучать синий свет.
Новая стратегия получила название двойной ионный обменный процесс. Именно благодаря ей физикам удалось создать единое наноустройство, способное излучать белый лазерный свет.
Теперь команде Цунь-Чжэна предстоит продумать систему питания своего инновационного устройства. Пока что о коммерциализации технологии речи не идёт. Однако её потенциал позволяет ожидать внедрения белых лазеров на рынок в ближайшие десятилетия.
