Naukowcy opracowali nową technologię laserową wykorzystującą duże koloidalne kropki kwantowe siarczku ołowiu do emitowania spójnego światła w rozszerzonym zakresie krótkofalowej podczerwieni.
Ta innowacja zapewnia tańsze, skalowalne rozwiązania laserowe kompatybilne z krzemowymi platformami CMOS, obejmujące szerszy zakres długości fal bez zmiany składu chemicznego i eliminujące potrzebę stosowania kosztownych wzmacniaczy lasera femtosekundowego.
Nowatorskie technologie laserowe
Obecne technologie laserowe dla rozszerzonego zakresu widma SWIR zależą od kosztownych i złożonych materiałów, przez co są trudne do skalowania i tańsze. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, zespół badaczy ICFO, kierowany przez profesora ICREA Gerasimos Konstantatos, opracował nowatorskie rozwiązanie wykorzystujące koloidalne kropki kwantowe (CQD). Ich ustalenia, opublikowane 6 grudnia w Zaawansowane materiaływykazali, że duże CQD z siarczku ołowiu (PbS) mogą emitować spójne światło – kluczowy wymóg przy tworzeniu laserów – w rozszerzonym zakresie krótkofalowej podczerwieni (SWIR).
To przełomowe rozwiązanie pozwala sprostać wyzwaniom związanym z kosztami i skalowalnością, zachowując jednocześnie kompatybilność z krzemowymi platformami CMOS, standardową technologią stosowaną w budowie układów scalonych. Ta kompatybilność otwiera drzwi do bezproblemowej integracji na chipie, torując drogę dla bardziej praktycznych i dostępnych zastosowań laserowych.
Postęp w laserach z kropkami kwantowymi
Ich koloidalne kropki kwantowe PbS są pierwszym półprzewodnikowym materiałem laserowym pokrywającym tak szeroki zakres długości fal. Co ciekawe, badaczom udało się tego dokonać bez zmiany składu chemicznego kropek. Wyniki te torują drogę do opracowania bardziej praktycznych i kompaktowych laserów z koloidalnymi kropkami kwantowymi.
Co więcej, zespół zademonstrował działanie lasera – po raz pierwszy w kropkach kwantowych PbS – ze wzbudzeniem nanosekundowym, eliminując potrzebę stosowania nieporęcznych i kosztownych wzmacniaczy lasera femtosekundowego. Osiągnięto to poprzez zastosowanie większych kropek kwantowych, zwiększając w ten sposób dziesięciokrotnie przekrój poprzeczny absorpcji kropek, co doprowadziło do radykalnego zmniejszenia progu wzmocnienia optycznego – punktu, w którym emisja światła laserowego staje się procesem wydajnym.
Potencjalne zastosowania i przyszłe implikacje
Możliwość produkcji tanich, skalowalnych laserów na podczerwień w rozszerzonym zakresie SWIR eliminuje krytyczne wąskie gardła w różnych technologiach. Ta innowacja ma potencjał transformacyjny w różnorodnych zastosowaniach, w tym w wykrywaniu niebezpiecznych gazów, bezpiecznych dla oczu systemach LIDAR, zaawansowanych fotonicznych układach scalonych i obrazowaniu w ramach okna biologicznego SWIR.
Branże wykorzystujące systemy LIDAR, czujniki gazów i biomedycynę mogłyby znacznie skorzystać na tym opłacalnym i zintegrowanym rozwiązaniu. Co więcej, ten przełom wspiera przejście na fotoniczne układy scalone kompatybilne z krzemem, umożliwiając większą miniaturyzację i powszechne zastosowanie.
Zmiana paradygmatu w technologii laserowej
„Nasza praca reprezentuje zmianę paradygmatu w technologii lasera na podczerwień” – powiedział profesor ICREA Gerasimos Konstantatos. „Po raz pierwszy udało nam się osiągnąć laser w rozszerzonym zakresie SWIR z materiałami przetwarzanymi roztworowo w temperaturze pokojowej, torując drogę praktycznym zastosowaniom i rozwojowi bardziej dostępnych technologii”.
Odniesienie: „Rozszerzone krótkofalowe koloidalne lasery kropek kwantowych ze wzbudzeniem nanosekundowym” autorstwa Guya L. Whitwortha, Carmelity Roda, Mariony Dalmases, Nimy Taghipour, Miguela Dosila, Kateriny Nikolaidou, Hameda Dehghanpoura i Gerasimos Konstantatos, 6 grudnia 2024 r., Zaawansowane materiały.
DOI: 10.1002/adma.202410207
