Выращивание наноподложки

Американским учёным из Университета штата Аризона впервые удалось создать монолитный RGB-лазер. Испускающие свет элементы расположены на одной подложке наноразмера, и цвет выдаваемого луча можно свободно настраивать в широком диапазоне, в том числе получать и луч белого цвета.

Лазер (laser, light amplification by stimulated emission of radiation, «усиление света посредством вынужденного излучения»), преобразует энергию в когерентное монохроматическое (т.е. одноцветное) излучение. Существование эффекта вынужденного излучения предсказал ещё Эйнштейн в 1916 году, а первый лазер на основе кристалла искусственного рубина был сделан в 1960 году.

Отличительная особенность луча лазера – одна постоянная длина волны (или дискретный набор длин), или один конкретный цвет. То, что наш глаз воспринимает, как белый цвет – это ахроматический набор излучений с разными длинами волн, которые имеют равную мощность, поэтому белый лазер изготовить невозможно.

Зато можно комбинировать излучение нескольких лазеров с разными длинами волн. Если, к примеру, скомбинировать лазеры трёх основных цветов (красный, зелёный, синий — RGB), мы получим белый цвет. Лазерные установки, комбинирующие несколько лучей и выдающие разные цвета, широко используются в разных областях человеческой деятельности, включая даже лазерные шоу-программы. Но такие устройства никак не сделаешь достаточно маленькими для использования их в микроэлектронике.



В когда-то популярных, а ныне постепенно уходящих оптических приводах используются лазеры с разными длинами волн для работы с разными типами накопителей – CD, DVD, Blu-Ray. Поэтому в универсальных приводах используют несколько лазеров. Правда, Sony ещё в 2003 году изготовила в лаборатории двухдиапазонный монолитный лазер для использования его как для записи CD-R/RW, так и DVD дисков, но до производства он не добрался.



Создание монолитных лазеров сталкивалось с особыми трудностями, связанными с тем, что необходимо скомбинировать в одной структуре полупроводники с очень разными характеристиками. Кристаллы различаются постоянными решётки – размерами кристаллических ячеек. От этих постоянных зависит длина волны излучения, испускаемого лазером. Но вырастить объединённые вместе кристаллы с очень разными постоянными при помощи традиционных способов не представлялось возможным.

А вот учёным из Аризоны удалось создать полупроводниковую структуру, состоящую из трёх сегментов, каждый из которых излучает волны в своём диапазоне. Она состоит из цинка, кадмия, серы и селена, поделённых на сегменты. При возбуждении подложки кадмий и селен вместе испускают красное излучение, кадмий и сера – зелёное, а цинк и сера – синее. Это достижение стало возможным благодаря более чем десяти годам исследований, связанных с нанотехнологиями. Для роста кристалла был использован метод «двойного обмена ионами».

По утверждению учёных, лазеры — более эффективный источник света, чем светодиоды, к тому же при помощи лазера можно передать больше цветов. Как говорит профессор Кун-Жен Нинг, руководивший исследованием, по их данным монолитный лазер способен воспроизводить на 70% больше цветов, чем это предусмотрено сегодняшним стандартом для светодиодных дисплеев.

Кроме освещения и дисплеев, лазеры можно использовать для разработки наиболее эффективной системы передачи данных типа Li-Fi. Эта система использует освещение комнаты для передачи данных через световые импульсы в пределах прямой видимости. Такая система на светодиодах, которая сейчас находится в стадии разработки, должна обеспечить скорости передачи, на порядок превышающие текущие возможности Wi-Fi. При этом, по утверждению исследователь, лазерный Li-Fi может быть на один или два порядка быстрее, чем на основе LED.