В Японии разработан зеленый полупроводниковый лазер

Вы когда-нибудь задумывались, почему в проекционных системах и телевизорах не используются лазеры? Причина этого кроется не в соображениях безопасности и не в эффективности – полупроводниковые лазерные диоды обладают достаточно высоким КПД, 30-50%. До сих пор для реализации эффективных систем формирования изображения на основе лазеров не хватало одного из ключевых компонентов – лазера зеленого свечения. Казалось бы – голубой полупроводниковый лазер изобретен еще 15 лет назад, красный – вообще в 1962 году, так что же мешает сделать зеленый, для получения полного комплекта цветовой модели RGB? Варианты теоретических моделей «недостающего звена» существовали уже некоторое время, но фактической реализации до сих пор препятствовали некоторые практические аспекты, которые впервые удалось преодолеть японским исследователям.

Структура лазерных диодов основана на соединении двух или нескольких полупроводящих материалов, а цвет излучения определяется энергетической разницей между проводящим и непроводящим компонентами, формирующим так называемый квантовый колодец. Теоретически, комбинируя различные материалы, можно получать композитные «бутерброды» с различными характеристиками, и таким образом управлять получаемой длиной волны – от ультрафиолета до инфракрасного излучения. Например, один из слоев может являться сплавом галлия, мышьяка и алюминия, второй – соединением галлия, индия и алюминия, и т.д.

Основной проблемой для практической реализации подобных композитов оказалось то, что далеко не все сочетания материалов позволяют получить сплавы с необходимыми характеристиками. Например, созданию голубого полупроводникового лазера предшествовали достаточно длительные исследования, в результате которых была получена методика изготовления нитрида галлия. Для лазера зеленого цвета необходимо высокое содержание индия в некоторых слоях композита, но, к несчастью, индий очень активно диффундирует, «перемешивая» всю структуру.

Еще одна проблема – наличие электрического поля у нитрида галлия, выращиваемого традиционным образом. Данное поле воздействует на электроны, которые проходят через структуры квантового колодца, препятствуя тому, чтобы они теряли энергию и излучали свет. Другими словами, электрическое поле подавляет эмиссию в сине-зеленой и зеленой части спектра.

Исследователи из компании Sumitomo Electric Industries заявили, что им удалось обойти проблему с электрическим полем за счет изменения ориентации подложки, на которой выращивается нитрид галлия, за счет чего «рабочая» сторона слоя становится электрически нейтральной. Правда, изобретатели не раскрывают, каким образом им удалось обойти высокую диффузию индия, но можно предположить, что и в этом случае были использованы некие манипуляции с положением подложки.

Как бы там ни было, структура реализована и демонстрирует работоспособность. Полученный лазер излучает в диапазоне длин волн 520-531 нм, что закрывает «мертвую зону» в технологии построения отображений на базе лазеров. Конечно, первый лабораторный экземпляр пока что далек от совершенства – на сегодняшний день он работает только в импульсном режиме, его эффективность составляет всего 0,1% (или 20%, если игнорировать время неактивности), а рабочее напряжение составляет около 20 В, вместо обычных для лазерных диодов 1-3 В. Тем не менее, наличие действующего образца дает основания полагать, что ученые находятся на верном пути и в скором будущем смогут довести устройство до состояния коммерческого продукта.

Для полноты картины можно упомянуть наиболее распространенный способ, с помощью которого лазерное излучение зеленого цвета получалось до сих пор. Оно получалось при пропускании света от инфракрасного лазерного диода через нелинейный оптический кристалл, удваивающий частоту и делящий длину волны пополам. В результате на выходе действительно получалось излучение с длиной волны 530 нм. Однако подобная конструкция получалась достаточно сложной, дорогостоящей и с небольшой эффективностью, около 6%. Такие характеристики не позволяли рассматривать этот способ для использования в качестве компонента массовых систем вывода изображения на базе лазеров.