Инженеры прокладывают путь к следующему

Докторант Лен ван Дерзен работает с лабораторной установкой, используемой для управления устройством, излучающим лазер глубокого ультрафиолета.

Инженеры Корнелла создали лазер глубокого ультрафиолета с использованием полупроводниковых материалов, который демонстрирует большие перспективы для улучшения использования ультрафиолетового света для стерилизации медицинских инструментов, очистки воды, обнаружения опасных газов и обеспечения прецизионной фотолитографии, среди других приложений.

Когда дело доходит до ультрафиолетового света, двумя важными качествами являются частота (определённые частоты лучше всего подходят для уничтожения вирусов или обнаружения молекул) и ширина линии, мера точности лазера. Ученые и инженеры ищут источники более качественного и эффективного ультрафиолетового излучения, но работать с полупроводниковыми материалами, которые могут это сделать, сложно.

В статье, опубликованной 11 марта в журнале AIP Advances, подробно рассказывается, как ученые Корнелла создали устройство на основе нитрида алюминия-галлия, способное излучать лазер в глубоком ультрафиолете на желаемых длинах волн и модальной ширине линий.

«Известно, что это подходящий материал, но это была проблема синтеза материалов», — сказал Лен ван Дерзен, докторант прикладной и инженерной физики, который руководил исследованием. «Задача состоит в том, чтобы сделать материалы достаточно чистыми, чтобы они действительно могли быть полезными и соответствовать требованиям лазера».

Это был вызов, который ван Дерзен принял во время пандемии COVID-19, когда на рынке начался бум ультрафиолетовых светодиодов и других инструментов, способных обнаруживать и уничтожать вирус SARS-CoV-2.

«Мне нужен был исследовательский проект, который мог бы оказать влияние», — сказал ван Дерзен, — «и пандемия действительно усилила потребность в улучшенных ультрафиолетовых устройствах».

Под руководством старших авторов статьи, Дебдипа Йены и Хуили Грейс Син, профессоров материаловедения и инженерии, а также электротехники и компьютерной инженерии, команда использовала молекулярно-лучевую эпитаксию, метод выращивания кристаллов, чтобы вырастить высококачественный кристалл нитрид алюминия.

«Нам нужно несколько слоев нитрида алюминия-галлия, наложенных друг на друга, и одним из важных параметров является качество интерфейса между этими слоями», — сказал ван Дерзен. «Мы можем выращивать очень острые границы раздела без примесей и дислокаций, которые образуются при других методах выращивания».

Вторая задача состояла в том, чтобы создать оптический резонатор из сложенных друг на друга слоев, который можно было бы использовать для улавливания излучаемого света и стимулирования вынужденного излучения, необходимого для лазера. Полость была создана в виде небольшого резонатора микронного размера на чипе из нитрида алюминия, который ван Дерзен смог разработать с помощью Корнельского научно-технологического центра наномасштабов.

«Это настоящая привилегия — иметь возможность выращивать материалы и производить чипы на двух современных предприятиях, расположенных в одном здании», — сказал ван Дерзен, имея в виду Даффилд Холл. «Просто идите с третьего этажа в подвал».

После завершения лазер смог достичь максимального усиления на длине волны 284 нанометра и модальной ширине линий порядка 0,1 нанометра. Ширина линии на порядок точнее, чем у аналогичных устройств, и демонстрирует применимость метода выращивания для улучшения излучателей ультрафиолетового света.

Лазер глубокого ультрафиолета Корнелла имеет оптическую накачку, что означает, что он предъявляет определенные требования к генерации путем ввода фотонов в устройство. Следующим шагом в исследовании, по словам Йены, является использование той же самой платформы материалов для создания лазера, который приводится в действие электрическим током от батареи – более практичного источника энергии для коммерчески доступных светоизлучающих устройств.

«Лазеры глубокого ультрафиолета, возможно, являются последним рубежом в области полупроводниковых материалов и устройств с огромными долгосрочными отдачами», — сказал Джена, профессор технических наук Дэвида Э. Берра и научный сотрудник факультета Ричарда Э. Ланквиста, посвященного полуторавековому юбилею. «Тем не менее, это также проблема, с которой молодой аспирант может столкнуться и оказать немедленное влияние».