Физики впервые создали лазер на органическом диоде с накачкой током

Atula S. D. Sandanayaka

Физики продемонстрировали генерацию когерентного излучения органическим полимером при пропускании через него электрического тока. Построенная установка стала первым прототипом лазера на органическом полупроводнике, получающим энергию непосредственно в виде электричества. Дальнейшие улучшения данной технологии позволят получить дешевые, настраиваемые и гибкие лазеры, пишут ученые в журнале Applied Physics Express.

Основные особенности лазерного излучения — это пространственная и временная когерентность, то есть согласованность колебаний электромагнитных волн. Пространственная когерентность позволяет фокусировать такое излучение в небольшие области, а также обеспечивает возможность коллимации, то есть распространения на большие расстояния в виде узкого луча без существенного расширения. Благодаря временной когерентности лазеры могут обладать очень узким спектром, то есть способны излучать в ограниченном диапазоне длин волн, а также производить сверхкороткие импульсы.

В системах, функционирующих по законам квантовой механики, таких как атомы и молекулы, элементы могут обладать только определенными значениями энергии — находиться на конкретных энергетических уровнях. В обычной ситуации чем ниже энергетический уровень, тем выше его заселенность, то есть доля занятых состояний. Однако можно подобрать условия, в которых не на основном уровне окажется больше частиц, чем было бы в равновесных условиях. Такая ситуация называется инверсной заселенностью. Среды с подходящими параметрами могут возникать в природе — так возникает излучение космических мазеров.

Излучение и поглощение на уровне отдельной квантовой системы возможно только на частотах, соответствующих энергии между разными уровнями. Например, если электрон в атоме взаимодействует с фотоном, то он может его поглотить только в том случае, если энергия кванта света позволяет ему перейти на другой энергетический уровень или достаточна для преодоления энергии связи с ядром (ионизации). Если электрон находится в возбужденном состоянии, то при наличии вакантного состояния на более низком уровне он со временем перейдет на него с испусканием фотона — этот процесс называется самопроизвольным излучением. Если множество атомов находится в одинаковом возбужденном состоянии, то они будут рождать много фотонов, но их свойства (время появления, направление движения, фаза) будут случайными — это основа флуоресценции и теплового излучения.

Однако если возбужденный электрон взаимодействует с фотоном, энергия которого соответствует допустимому переходу, то электрон с высокой вероятностью совершает переход, причем у появляющегося фотона параметры будут соответствовать налетевшей частице. Этот квантовый процесс называется вынужденным излучением, он приводит к усилению падающего излучения в среде и лежит в основе лазерного и мазерного излучений.

Для создания инверсной населенности в искусственных средах используется накачка — специальный вид передачи энергии. В зависимости от конструкции лазера и его активной среды, в которой происходит генерация излучения, накачка может быть оптической (падающий свет), электрической, химической, ядерной, тепловой или механической. С практической точки зрения наиболее удобна электрическая накачка, то есть непосредственное пропускание тока через усиливающую среду.

В качестве активной среды может выступать множество веществ в различных видах. Существует твердотельные (кристаллы, стекла, полупроводники), газообразные, жидкие (растворы красителей) и плазменные среды. С практической точки зрения привлекателен полупроводниковый диод, в котором излучение порождается при переходе не между уровнями в атоме, а между энергетическими зонами кристаллической решетки. Дополнительные преимущества можно получить при использовании среды на основе органических веществ, для которых характерны широкие полосы поглощения, что позволяет менять частоту порождаемого излучения.

До недавнего времени не существовало работающего устройства, комбинирующего все вышеперечисленные особенности с прямой накачкой электрическим током. Были созданы лазеры на органических диодах с оптической накачкой, то есть работающие, если на них светить более слабым излучением другого лазера, но они не подходят для многих применений. Основная трудность при их реализации — необходимость создания очень высоких плотностей тока, порядка сотен ампер на квадратный сантиметр, что приводит к значительным потерям в подобных веществах.

В работе под руководством Тихая Адати (Chihaya Adachi) из Университет Кюсю в Японии впервые описывается рабочий лазер на органическом диоде с накачкой током. В качестве активной среды использовалась тонкая пленка 4,4’-бис[(N-карбазол)стирил]дифенила (BSBCz), который обладает невысоким электрическим сопротивлением и низкими потерями от других процессов. Однако одного использования подходящего вещества было недостаточно, поэтому ученые также имплементировали схему лазера с распределенной обратной связью в виде изолирующей решетки поверх одного из электродов.

«Оптимизируя эти решетки, мы смогли не только добиться желаемых оптических свойств, но также контроля над током электричества в устройстве и минимизации количества силы тока, необходимой для появления усиления излучения в органической тонкой пленке», — говорит Адати.

Авторы отмечают, что в последние годы было сделано несколько сообщений об успешной реализации подобного устройства, но все они оказались неверной интерпретацией экспериментальных данных, при анализе которых не были учтены дополнительные эффекты. На этот раз ученые уверены, что убедились в отсутствии таких источников ошибки. Теперь исследователи собираются разработать на основе данной идеи полноценное устройство, которое будет одновременно несложными в производстве, дешевым, перестраиваемым (цвет излучения можно изменять), и при этом будет допускать прямую интеграцию с существующими оптоэлектронными схемами.

Ранее физики разработали лазер на флуоресцентных белках медуз, охладили звуковую волну с помощью лазера, изготовили дешевый нанолазер с помощью перовскита и кольцевых импульсов и добились контроля над распространением лазерного излучения сквозь рассеивающую среду.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.