Компактные лазеры, которые могут работать в ранее недоступных частях спектра и подходящие для массового производства, теперь доступны.
В цифровых проекторах используются различные технологии для вывода изображения на экран. Но существующие проекторы громоздки, и растет коммерческий интерес к использованию новых лазерных технологий, чтобы сделать проектор достаточно маленьким, чтобы его можно было встроить в портативный компьютер или даже мобильный телефон.
«Такие устройства будут иметь чрезвычайно высокий рыночный потенциал», - говорит Мирча Гуина из Исследовательского центра оптоэлектроники Университета Тампере. «Но до сих пор технологическому развитию препятствовал« зеленый пробел »- отсутствие зеленых лазерных диодов».
Лазерные диоды очень компактны, производятся массово и относительно дешевы. Они широко используются в таких распространенных устройствах, как считыватели штрих-кода, проигрыватели компакт-дисков и лазерные указки. Стандартный подход использует так называемые «краевые» диоды, которые предлагают ограниченный диапазон видимых длин волн, который, как оказалось, технологически сложно расширить. Они также не подходят там, где требуется высокая яркость. Цифровые проекторы требуют мощных источников красного, зеленого и синего света. В частности, без нового зеленого лазера создание компактных проекторов пока нереально.
«Используя традиционную технологию лазерных диодов, все еще трудно получить излучение высокой яркости на длинах волн, предпочтительных для приложений лазерной проекции», - говорит Гуина. «В частности, излучение типичных красных лазерных диодов прямого излучения ограничено примерно 640-650 нанометрами, в то время как глаз наиболее чувствителен к 620-640 нанометрам. Они также подвержены изменениям температуры и требуют высоких рабочих напряжений. Хуже того, до сих пор нет подходящего коммерческого решения для зеленого цвета ».
Новые наноматериалы
Гуина была менеджером проекта финансируемого ЕС проекта NATAL, целью которого было разработать новые лазерные технологии, которые не только восполнят зеленый пробел, но и сделают возможным множество других приложений, требующих миниатюрных лазеров высокой яркости, настроенных на очень определенные длины волн.
Прорывные результаты проекта тесно связаны с разработкой новых полупроводниковых усиливающих материалов и демонстрацией новых лазеров. «Ключевой технологией является VECSEL с оптической накачкой, который напоминает геометрию твердотельного лазера, сохраняя при этом гибкость длины волны, обеспечиваемую полупроводниковыми усиливающими средами», - говорит Гуина.
VECSEL (вертикальный лазер с поверхностным излучением с внешним резонатором) представляет собой полупроводниковый лазер, который излучает высококачественный луч света, перпендикулярный поверхности кристалла. Геометрия также облегчает отвод отработанного тепла и, следовательно, работу с большей мощностью.
Исследования NATAL были сосредоточены на получении красных, зеленых и синих длин волн путем разработки новых наноматериалов, обеспечивающих усиление в VECSEL, включая структуры «квантовых точек», которые ранее не использовались в VECSEL, и с использованием «удвоения частоты».
Среди основных моментов проекта - мощные VECSEL, работающие непосредственно в красном свете, и инфракрасные VECSEL с удвоенной частотой, которые могут излучать в желаемом зеленом промежутке, а также в желто-оранжево-красной части спектра. Красные лазеры могут быть удвоены по частоте, чтобы излучать ультрафиолетовый свет.
Многочисленные приложения
«Один из партнеров, Институт фотоники при Университете Стратклайда, впервые продемонстрировал красные VECSEL с прямым излучением, накачиваемые коммерчески доступными синими диодными лазерами», - добавляет Гуина. «Еще одним важным результатом проекта стало полное программное обеспечение для трехмерного моделирования VECSEL, которое учитывает геометрию лазера, а также его оптические и тепловые свойства».
Промышленное использование компактных, серийно выпускаемых лазеров, вероятно, будет многочисленным. Два партнера NATAL, OSRAM Opto Semiconductors и EpiCrystals, находятся в процессе разработки зеленого лазера для проекционных технологий.
Третий промышленный партнер, TOPTICA Photonics, работает над научными приложениями. «Используя всю полупроводниковую технологию VECSEL, мы открываем новые возможности для индивидуальных решений с учетом длины волны в ближнем инфракрасном диапазоне», - говорит Вильгельм Кендерс, президент TOPTICA Photonics и менеджер по распространению проектов NATAL. «Объединив это с нашими установленными модулями преобразования частоты, мы, наконец, можем закрыть спектральную нишу между зеленым и красным. Теперь мы можем снабжать спектроскопистов одночастотными диодными лазерами с фиксированной частотой и перестраиваемыми лазерами от 375 до 3000 нанометров ».
Искусственные звезды
Возможны многие другие применения новых лазеров, такие как обработка материалов, УФ-литография и медицина. Янтарно-оранжево-красные лазеры, например, можно было бы использовать для фотодинамической терапии и для создания искусственных направляющих звезд для телескопов путем возбуждения атомов натрия высоко в атмосфере, поддерживая долгосрочные цели европейского астрономического сообщества.
Существует также ряд научных и медицинских приложений, в которых компактные, достаточно мощные лазеры видимого и УФ-диапазона предпочтительнее существующих дорогостоящих газовых и ионных лазеров, требующих больших затрат на обслуживание.
NATAL, который финансировался в рамках Шестой рамочной программы исследований ЕС, завершился в августе 2008 года, но работа продолжается в нескольких других проектах. Некоторые из них нацелены на разработку VECSEL, излучающих в более длинных инфракрасных волнах, которые можно было бы использовать для определения расстояния, экологического мониторинга газов и сварки тканей в хирургии. Также в разработке находятся лазеры, излучающие ультракороткие оптические импульсы.
«NATAL помогла накопить значительный объем знаний и новых технологий в этой области», - говорит Гуина. «Многое из того, что мы сделали с VECSEL, теперь считается самым современным в мире».
Работа над квантовыми точками VECSEL продолжается в рамках проекта FastDot, финансируемого в рамках Седьмой рамочной программы ЕС. Ожидается, что со временем появятся и другие дополнительные проекты.
