یک ترفند هوشمندانه شیشه‌ای، مشکل قدیمی لیزر کریستال فوتونی را حل می‌کند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، لیزر ساطع‌کننده سطح کریستال فوتونی (PCSEL) یک فناوری امیدوارکننده است که می‌تواند دستاورد‌های لیزر را کاملاً متحول کند. چنین سیستمی می‌تواند پرتو‌های بسیار جهت‌دار و درخشانی با دقت بسیار بالا تولید کند و آن را برای کاربرد‌هایی مانند LiDAR، ارتباطات نوری و سیستم‌های حسگر مورد استفاده در وسایل نقلیه خودران و ابزار‌های دفاعی ایده‌آل می‌کند.

با این حال، علیرغم پتانسیل بالای PCSEL ها، توسعه آنها به طور چشمگیری دشوار بوده است. مشکل در طراحی هسته آنها نهفته است که به حفره‌های هوای ویژه‌ای متکی است که اندکی پس از تشکیل ناپدید می‌شوند.

اکنون، مهندسان دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین (UIUC) بر این مانع دیرینه غلبه کرده‌اند. آنها به جای حفره‌های هوا، تعبیه دی‌اکسید سیلیکون را در لایه کریستال فوتونی پیشنهاد داده‌اند. به گفته دانشمندان، این تغییر به آنها اجازه داد تا با موفقیت اولین PCSEL فتوپمپ‌شده در دمای اتاق، ایمن برای چشم و با استفاده از ویژگی‌های دی‌الکتریک مدفون را نشان دهند.

جایگزینی سوراخ‌های هوای شکننده با نوآوری‌های محکم

به طور سنتی، PCSEL‌ها با حفره‌های هوا در لایه کریستال فوتونی خود ساخته می‌شوند که به کنترل نحوه حرکت نور در داخل دستگاه کمک می‌کند. با این حال، هنگامی که دانشمندان سعی می‌کنند مواد نیمه‌هادی را در اطراف این حفره‌ها رشد دهند، که یک گام ضروری برای تکمیل لیزر است، اتم‌ها تغییر مکان می‌دهند و حفره‌ها را پر می‌کنند. این تغییر شکل، ساختار کریستال فوتونی را خراب می‌کند و مانع از عملکرد صحیح لیزر می‌شود.

برای حل این مشکل، نویسندگان این مطالعه لایه کریستال فوتونی را با دی اکسید سیلیکون، یک ماده دی الکتریک جامد و پایدار، پر کردند. این تغییر به ساختار استحکام بخشید و از فروپاشی آن در طول رشد مجدد جلوگیری کرد.

با این حال، این راه‌حل یک مشکل جدید را ایجاد کرد. دی‌اکسید سیلیکون آمورف است، به این معنی که ساختار کریستالی ندارد و رشد نیمه‌رسانا‌ها روی چنین موادی معمولاً بسیار دشوار است.

ارین رفتری، محقق ارشد و دانشجوی مهندسی در UIUC، گفت: «اولین باری که سعی کردیم دی‌الکتریک را دوباره رشد دهیم، نمی‌دانستیم که آیا اصلاً این کار امکان‌پذیر است یا خیر. در حالت ایده‌آل، برای رشد نیمه‌رسانا، شما می‌خواهید آن ساختار کریستالی بسیار خالص را از لایه پایه تا بالا حفظ کنید، که دستیابی به آن با یک ماده آمورف مانند دی‌اکسید سیلیکون دشوار است.»

برای اینکه یک لیزر بتواند کار کند، لایه‌های نیمه‌رسانای روی آن باید ساختار کریستالی صاف و پیوسته‌ای داشته باشند. تیم نمی‌دانست که آیا این امر امکان‌پذیر است یا خیر، اما با کنترل دقیق شرایط، مهندسان موفق شدند نیمه‌رسانا را به صورت جانبی در اطراف دی‌الکتریک رشد دهند و سپس مواد را در بالای آن، در فرآیندی که به عنوان انعقاد شناخته می‌شود، ادغام کنند.

نتیجه یک PCSEL دی‌الکتریک دفن‌شده بود که می‌توانست هنگام تحریک توسط نور، حتی در دمای اتاق، پرتو لیزر را در طول موجی که برای چشم انسان بی‌خطر است، ساطع کند، چیزی که قبلاً هیچ‌کس به آن دست نیافته بود.

مرحله بعدی، الکتریکی کردن آن است

این اثبات مفهوم، پایه و اساس نسل جدیدی از لیزر‌های ساطع‌کننده سطح را بنا می‌نهد که دقیق‌تر، پایدارتر و مقیاس‌پذیرتر از فناوری‌های فعلی هستند. PCSEL‌ها پرتو‌های دایره‌ای باریک و با روشنایی بالا تولید می‌کنند که آنها را برای همه چیز از کاربرد‌های ارتباطی گرفته تا سلاح‌های پیشرفته ایده‌آل می‌کند.

استفاده از مواد دی‌الکتریک جامد، فرآیند ساخت را نیز ساده کرده و دوام دستگاه را بهبود می‌بخشد. با این حال، این نسخه اولیه هنوز برای تأمین انرژی لیزر به نور خارجی (پمپاژ نوری) نیاز دارد که کاربرد آن را در کاربرد‌های دنیای واقعی محدود می‌کند.

برای اینکه این لیزر واقعاً قابل استفاده باشد، تیم تحقیقاتی قصد دارد با اضافه کردن اتصالات الکتریکی، یک نسخه تزریق الکتریکی طراحی کند که به لیزر اجازه می‌دهد با منابع تغذیه استاندارد کار کند.

این مطالعه در مجله IEEE Photonics Journal منتشر شده است.