Может ли быть создан белый лазер. Создан белый лазер, способный вытеснить светодиоды с рынка свктотехники

Были изобретены в 1960-х годах, и с тех пор они используются во многих современных технологических решениях. Однако до сегодняшнего дня существовали только лазеры отдельных цветов (синие, красные, зелёные), но никому не удавалось объединить все длины волн оптического спектра для создания белого лазера.

Революционную разработку представила команда из Университета Аризоны. Эти учёные доказали, что полупроводниковые лазеры способны излучать полный видимый цветовой спектр, который в сумме даст белый свет.

Ведущий автор исследования Нин Цунь-Чжэн (Cun-Zheng Ning) и его коллеги создали полупроводник длиной в одну пятую от толщины человеческого волоса и толщиной в одну тысячную от той же величины с тремя параллельными сегментами, каждый из которых поддерживает лазерное излучение трёх основных цветов (длин волн) — синего, зелёного и красного.

Устройство способно генерировать свет любой длины волны видимого спектра и при суммировании этих цветов излучать белый свет, рассказывается в статье журнала Nature Nanotechnology.

Белые лазеры обладают большим потенциалом для различного рода применений. Прежде всего, они могут стать заменой привычным для нас светодиодам, поскольку являются более энергоэффективными и излучают более яркий свет. Также группа Цунь-Чжэна утверждает, что их разработка может заменить светодиоды не только в вопросах освещения помещений, но и в дисплеях компьютеров и телевизоров. Расчёты и эксперименты показали, что белые лазеры могут охватить на 70% больше цветов и оттенков видимого спектра, чем существующие сегодня на рынке дисплеи.

Другое немаловажное потенциальное применение — это . Эксперты уже не раз говорили, что в ближайшие десятилетия на смену радиоволновому Wi-Fi, скорее всего, передающий данные на основе света. Учёные подсчитали, что Li-Fi может быть более чем в 10 раз быстрее, чем существующий Wi-Fi, а Li-Fi, работающий на белых лазерах, может быть ещё в 10-100 раз быстрее, чем аналогичная светодиодная технология, которая по-прежнему .

"Концепция белых лазеров, на первый взгляд, противоречит здравому смыслу, поскольку свет обычного лазера содержит ровно один цвет, определённую длину волны электромагнитного спектра, а не широкий диапазон различных длин волн. Белый свет, как правило, рассматривается как смесь всех длин волн видимого спектра", — поясняет Цунь-Чжэн.

Привычные светодиоды белого цвета, как правило, покрытый люминофором для преобразования части синего света в зелёный, жёлтый и красный свет. Подобное смешение цветов воспринимается человеком как обычный белый свет и потому может использоваться для иллюминации помещений.

Добавим, что ещё в 2011 году сотрудники Сандийских национальных лабораторий США продемонстрировали слияние цветов четырёх отдельных цветных лазеров с последующим появлением эффекта белого света. Исследования показали, что подобное излучение воспринимается человеческим глазом столь же комфортно, как и свет от светодиодов. Эта работа и вдохновила команду из Университета Аризоны на дальнейшие исследования, в ходе которых было представлено единое устройство, излучающее белый лазерный свет.

"То, что делали наши коллеги из Сандийских национальных лабораторий, было проверкой концепции, но, к сожалению, не изобретением, пригодным к практическим применениям. Один маленький кусочек полупроводникового материала, излучающий лазерный белый свет — это гораздо более практичная технология, которую можно коммерциализировать", — рассказывает глава исследования в пресс-релизе .

(фото ASU/Nature Nanotechnology).

На пути к своему открытию физикам пришлось преодолеть немало трудностей и совершить ряд замысловатых разработок. Как правило, полупроводники, используемые для компьютерных чипов или генерации света в телекоммуникационных системах, способны излучать свет одной длины волны и, соответственно, одного цвета — синего, зелёного или красного — что определяется уникальной атомной структурой материала и шириной запрещённой энергетической зоны .

Для получения всех возможных длин волн в видимом спектральном диапазоне необходимо было получить несколько полупроводников, у каждого из которых должны были быть разные периоды решётки и разные ширины запрещённой энергетической зоны.

"Нашей целью было создание одного куска полупроводникового материала, который можно было бы использовать для генерации трёх основных цветов лазерного излучения. Более того, этот кусок должен быть достаточно мал, чтобы человеческий глаз мог воспринимать исходящее излучение как белое, а не как три отдельных цвета. Это была непростая задача", — рассказывает Цунь-Чжэн.

Основным препятствием на пути к победе, рассказывают исследователи, было так называемое несоответствие параметров кристаллической решётки или слишком большая разница между периодами решётки для разных материалов, используемых в эксперименте. Для преодоления этого обстоятельства Цунь-Чжэн и его коллеги обратились к нанотехнологиям.

Дело в том, что в нанометровом масштабе крупные несоответствия становятся менее заметными для технологии в целом, чем при традиционных методах выращивания цельных материалов. Таким образом, высококачественные кристаллы могут быть выращены даже при больших несоответствиях параметров кристаллической решётки.

Другим важным препятствием стало то, что вырастить полупроводники, излучающие синий свет, оказалось намного сложнее, чем кристаллы для красного или зелёного света. После двухлетних исследований команда, наконец, разработала технологию создания необходимой формы будущей подложки, а затем придумала и оптимальный состав полупроводника, который должен излучать синий свет.

Новая стратегия получила название двойной ионный обменный процесс. Именно благодаря ей физикам удалось создать единое наноустройство, способное излучать белый лазерный свет.

Теперь команде Цунь-Чжэна предстоит продумать систему питания своего инновационного устройства. Пока что о коммерциализации технологии речи не идёт. Однако её потенциал позволяет ожидать внедрения белых лазеров на рынок в ближайшие десятилетия.

Выращивание наноподложки

Американским учёным из Университета штата Аризона монолитный RGB-лазер. Испускающие свет элементы расположены на одной подложке наноразмера, и цвет выдаваемого луча можно свободно настраивать в широком диапазоне, в том числе получать и луч белого цвета.

Лазер (laser, light amplification by stimulated emission of radiation, «усиление света посредством вынужденного излучения»), преобразует энергию в когерентное монохроматическое (т.е. одноцветное) излучение. Существование эффекта вынужденного излучения предсказал ещё Эйнштейн в 1916 году, а первый лазер на основе кристалла искусственного рубина был сделан в 1960 году.

Отличительная особенность луча лазера – одна постоянная длина волны (или дискретный набор длин), или один конкретный цвет. То, что наш глаз воспринимает, как белый цвет – это ахроматический набор излучений с разными длинами волн, которые имеют равную мощность, поэтому белый лазер изготовить невозможно.

Зато можно комбинировать излучение нескольких лазеров с разными длинами волн. Если, к примеру, скомбинировать лазеры трёх основных цветов (красный, зелёный, синий - RGB), мы получим белый цвет. Лазерные установки, комбинирующие несколько лучей и выдающие разные цвета, широко используются в разных областях человеческой деятельности, включая даже лазерные шоу-программы. Но такие устройства никак не сделаешь достаточно маленькими для использования их в микроэлектронике.

В когда-то популярных, а ныне постепенно уходящих оптических приводах используются лазеры с разными длинами волн для работы с разными типами накопителей – CD, DVD, Blu-Ray. Поэтому в универсальных приводах используют несколько лазеров. Правда, Sony ещё в 2003 году изготовила в лаборатории двухдиапазонный монолитный лазер для использования его как для записи CD-R/RW, так и DVD дисков, но до производства он не добрался.

Создание монолитных лазеров сталкивалось с особыми трудностями, связанными с тем, что необходимо скомбинировать в одной структуре полупроводники с очень разными характеристиками. Кристаллы различаются постоянными решётки – размерами кристаллических ячеек. От этих постоянных зависит длина волны излучения, испускаемого лазером. Но вырастить объединённые вместе кристаллы с очень разными постоянными при помощи традиционных способов не представлялось возможным.

А вот учёным из Аризоны удалось создать полупроводниковую структуру, состоящую из трёх сегментов, каждый из которых излучает волны в своём диапазоне. Она состоит из цинка, кадмия, серы и селена, поделённых на сегменты. При возбуждении подложки кадмий и селен вместе испускают красное излучение, кадмий и сера – зелёное, а цинк и сера – синее. Это достижение стало возможным благодаря более чем десяти годам исследований, связанных с нанотехнологиями. Для роста кристалла был использован метод «двойного обмена ионами».

По утверждению учёных, лазеры - более эффективный источник света, чем светодиоды, к тому же при помощи лазера можно передать больше цветов. Как говорит профессор Кун-Жен Нинг, руководивший исследованием, по их данным монолитный лазер способен воспроизводить на 70% больше цветов, чем это предусмотрено сегодняшним стандартом для светодиодных дисплеев.

Кроме освещения и дисплеев, лазеры можно использовать для разработки наиболее эффективной системы передачи данных типа Li-Fi. Эта система использует освещение комнаты для передачи данных через световые импульсы в пределах прямой видимости. Такая система на светодиодах, которая сейчас находится в стадии разработки, должна обеспечить скорости передачи, на порядок превышающие текущие возможности Wi-Fi. При этом, по утверждению исследователь, лазерный Li-Fi может быть на один или два порядка быстрее, чем на основе LED.

Изобретение первого в мире белого лазера (одновременно генерирующего излучение трех основных цветов), способного произвести революцию в мире коммуникаций, технологий освещения и дисплеев, было признано журналом Popular Science одним из ста самых значимых прорывов этого года.

Лазеру, способному генерировать излучение трех основных цветов, можно найти очень много применений: бесконтактное освещение, полноцветные дисплеи, сверхбыстрая передача данных, флуоресцентное освещение и многое другое. Тем не менее, представить себе такую технологию в готовом виде пока что довольно сложно, поскольку для того, чтобы не допустить “разлетания” частиц света разных спектров, нужно проделать большую работу. На данной стадии разработки технология представляет из себя мультисегментный полупроводниковый нанолист, в основе которого лежит четвертичный сплав из цинка, кадмия, серы и селена (ZnCdSSe), который проектирует на себе одновременно красный, зеленый и синий спектр. Все это стало возможным благодаря инновационному наноматериалу, позволившеПрофессор электротехнических наук Университета штата Аризона Кан-Жень Нинь работал над этим в течение 10 лет до тех пор, пока его команда, собранная из выпустившихся студентов того же университета, наконец, не закончила дело.

Результат работы команды получился весьма впечатляющим: с помощью белого лазера можно создать компьютерные и ТВ-дисплеи, отображающие на 70% больше цветов, чем любая современная технология.

Нечто подобное уже существует и сегодня, но все созданные разными учеными на сегодняшний день прототипы очень громоздки, неудобны в использовании и непомерно дороги. Кроме того, без технологии белого лазера их потенциал не может быть полностью раскрыт.

Все это, конечно, здорово, но не стоит воображать, что через год или два в мире произойдет настоящая революция коммуникационных технологий. Очевидно, что для того, чтобы подобную инновацию можно было выпустить на , должно пройти некоторое время.

«Пока что это лишь научное исследование. Существующие разработки и концепции пока что остаются слишком громоздкими и неспособными выдать изображение такого же качества, как современные жидкокристаллические мониторы, стоящие сегодня в каждом доме. Процесс тормозит то, что мы пока не можем найти достаточно эффективного способа конвертировать излучения белого лазера в пиксели»,- рассказал Кан-Жень Нинь.

Белый лазер, а также его будущее применение, скорее всего, будет тесно связано с Li-Fi - двунаправленной высокоскоростной и полностью беспроводной сетью, по принципу своего действия схожей с Wi-Fi. Технология представляет из себя собрание оптических беспроводных коммуникаций, которые однажды смогут стать дополнением современных способов передачи информации (Wi-Fi или сотовых сетей) или же полностью заменить их в сфере передачи данных.у автономно управлять композицией, последовательностью и шириной сегментов.

Технология Li-Fi, работа которой основана на светопускающих диодах (LED), будучи доведенной до совершенства, сможет передавать информацию со скоростью до сотен мегабит в секунду. Но если применить к Li-Fi технологию белого лазера, то скорость передачи данных увеличится еще в сотни раз.

Лазеру, способному генерировать излучение трех основных цветов, можно найти очень много применений: бесконтактное освещение, полноцветные дисплеи, сверхбыстрая передача данных, флуоресцентное освещение и многое другое. Тем не менее, представить себе такую технологию в готовом виде пока что довольно сложно, поскольку для того, чтобы не допустить “разлетания” частиц света разных спектров, нужно проделать большую работу. На данной стадии разработки технология представляет из себя мультисегментный полупроводниковый нанолист, в основе которого лежит четвертичный сплав из цинка, кадмия, серы и селена (ZnCdSSe), который проектирует на себе одновременно красный, зеленый и синий спектр. Все это стало возможным благодаря инновационному наноматериалу, позволившему автономно управлять композицией, последовательностью и шириной сегментов.

Будьте в курсе всех важных событий United Traders - подписывайтесь на наш

Изобретение лазеров, применяющихся сегодня в различных приборах, произошло более полувека назад. Но до последнего времени существовали лишь лазеры отдельных цветов - зеленого, красного, синего, поскольку ученые не могли найти способ объединить спектры различной длины, чтобы получить белый лазер.

Инновационное открытие было совершено коллективом американских исследователей из штата Аризона. В первый раз со времени изобретения лазера им удалось предъявить доказательства того, что полупроводниковые лазеры могут излучать весь спектр цветов, что при их суммировании дает белый цвет.

Руководитель проекта по Цунь-Чжен вместе со своими единомышленниками создал тончайший полупроводник длиной 1/5 часть и диаметром 1/1000 часть от диаметра волоса человека с 3-мя параллельно расположенными элементами, поддерживающими излучение 3-х ключевых цветов, соответствующих длинам волн (синий, зеленый, красный).

В одном из авторитетных научных изданий США была опубликована статья об этом инновационном изобретении, в которой говорится о том, что новое устройство обладает способностью к генерации света разной длины волн видимого глазу спектра, излучая при их сочетании белый свет.

Инновационные лазеры имеют огромный потенциал использования в самых разных современных технологиях и прежде всего, как считают эксперты, могут заменить уже ставшие привычными для нас светодиоды. В сравнении с ЛЕД- лампами белые лазеры обладают более ярким излучением и потребляют значительно меньше энергии. Авторы ноу- хау считают, что их детище может быть использовано не только для осветительных приборов, но также в дисплеях ТВ и ноутбуков. Итоги предварительных испытаний подтвердили, что белые лазеры в состоянии охватить на 2/3 больше спектральных цветов, чем дисплеи, применяющиеся в настоящий момент.

Еще одна возможная сфера использования этого изобретения - оптические коммуникации. В течение нескольких лет ученые многих стран говорят о том, что в будущем радиоволновой Wi-Fi будет вытеснен более современной системой передачи информации Li-Fi (li - чвет), имея в виду LED-технологии. Но сейчас подсчитано, что если Li-Fi на светодиодах будет работать примерно в десять раз интенсивнее, чем привычный нам Wi-Fi, то Li-Fi на белых лазерах сможет увеличить скорость еще до 100 раз (при этом светодиодная коммуникационная система будущего все еще находится в стадии проведения экспериментов).

«С первого взгляда в нашей концепции сложно увидеть много смысла, так как в свете самого обыкновенного лазера содержится лишь один цвет и одна спектральная длина. Белый рассматривают исключительно как сочетание различной протяженности волн видимого человеческому зрению спектра», - отмечает руководитель проекта.

Светодиоды обычно имеют синий цвет, имеют покрытие из люминофора для преобразования синего цвета в основные спектральные цвета (зеленый, красный, желтый), а наши глаза воспринимают это сочетание как белый цвет, что и дает возможность использовать его в качестве освещения.

Несколькими годами ранее, а именно - в 2011-м году специалисты Сандийских лабораторий в Соединенных Штатах презентовали слияние 4-х разноцветных лазеров с преобразованием их в белый. Проведенные научные опыты подтвердили абсолютную безопасность и комфорт восприятия человеком такого типа излучения. Эта новость стала стимулом физикам- экспериментаторам из штата Аризона для проведения тщательных исследований, результатом которых стало инновационный генератор белого лазерного света.

Руководитель группы Цунь-Чжэн в официальном сообщении, посвященном изобретению, отмечает: «Наши коллеги, занимавшиеся исследованиями в Сандийских лабораториях, провели проверку этой идеи, но их лазер, не был пригоден для практического использования. В то время как небольшой кусочек полупроводника с белым лазерным излучением является более практичным изобретением, которое легко поставить на коммерческие рельсы».

На коллаже демонстрируется излучение прибора на разных участках нанолиста, где явственно видны оттенки синего, зеленого, голубого, желтого, красного, бордового, а также белого цветов. В процессе работы над открытием ученым довелось одолеть массу сложностей, сделать множество труднейших разработок. Обычно полупроводники, применяющиеся для компьютерных чипов либо выработки световой энергии в телекоммуникативных системах, обладают способностью генерировать свет одной волновой длины, а значит, одного определенного цвета в зависимости от структуры атомов и ширины запретной энергозоны.

Чтобы получить волны разной длины спектрального диапазона, воспринимаемого человеческим глазом, требовалось создать несколько полупроводников с разными решетками и разной шириной запретной энергозоны.

"Нам необходимо было создать один фрагмент полупроводника, который мог быть применен для создания 3-х ключевых цветов. Кроме того, этот фрагмент должен был быть очень маленьким по размеру, чтобы глаз воспринимал свет как белый, а не как радужные цвета спектра. Это стало весьма непростым заданием", — поясняет руководитель проекта.

Главной преградой к открытию стало несоответствие размеров кристаллической решетки, а именно - слишком значительная разница между сегментами решетки для материалов, применяющихся в исследованиях. Чтобы решить эту проблему, ученые обратились к нанотехнологиям.

Как оказалось, в нанометровом измерении значительные несовпадения становятся не столь существенными, чем при обычной технологии выращивания материалов. Это подтверждало гипотезу, что высококачественные кристаллы можно вырастить даже при значительных несовпадениях конфигурации решетки.Еще одной преградой стало то, что вырастить синие лазеры оказалось значительно сложнее, чем красные или зеленые. Для решения этой проблемы потребовалось 2 года усиленной работы, после чего коллектив из Аризоны, наконец, представил собственную технологию создания структуры подложки, а немного позднее - и оптимальную структуру синего полкпроводника.

Новой технологии, благодаря которой ученые создали цельное наноустройство с белым светом лазера, дали название «двойной ионный процесс».Теперь талантливой команде изобретателей во главе с Цунь Чжэном предстоит разработать систему питания этого ноу- хау. На данном этапе о коммерческом применении технологии вопрос не стоит. Но огромный потенциал изобретения вселяет надежду на внедрение белых лазеров на рынок в последующие 10-20 лет.

Лампы накаливания уступают CFL и LED, но эти технологии освещения могут также исчезнуть. Команда ученых из Университета штата Аризона разработала лазер, который может производить чистый белый свет, более яркий и эффективный, чем самые лучшие светодиоды. Технически, изначально лазер сам по себе не белого света, но разумное использование наноматериалов позволяет трем цветным лучам стать одним белым.

Лазеры всегда были заманчивой технологией для мира освещения, так как они очень ярки, работают на больших расстояниях, и крайне эффективны. Проблема всегда была в том, что лазер не может быть белым. Новая разработка основана на лазере, созданном в 2011 году в Национальной лаборатории Сандии. Однако, это больше доказательство концепции, чем функциональное устройство. Белый лазер команды Аризонского Университета выдает достаточно света, чтобы его уловил глаз человека. Это шаг в верном направлении.

Пока что нет способа генерировать белый лазер, но этот прорыв выдает тот же результат, смешивая три отдельных луча. Как вы уже догадались, это синий, красный и зеленый, как и пиксели в LCD или AMOLED экранах. Чтобы это работало, команде надо было создать полупроводниковый лазер, который способен работать со всем цветовым спектром, а это далеко не просто. В конце концов, они добились успеха, при помощи наноразмерного полупроводника на основе сплава ZnCdSSe.

Это был серьезный прорыв в настройке полупроводников для получения определенного цвета в пропорциональных объемах. Этого удалось достичь при помощи аккуратного контроля так называемой "постоянной решетки", расстояния между атомами в полупроводнике. Синяя часть спектра была особенно сложной, так как она уже изначально требует применения приемов для создания решетки, чтобы затем сформировать необходимую пропорцию.

Результатом всего этого стал белый лазер, но настраиваемая природа полупроводника означает, что лазер можно сделать любого цвета в спектре, просто увеличивая или уменьшая долю каждого красного, зеленого и синего каналов. Лазер может принимать до 70 разных оттенков, и является более точным, чем LED. В то время, как освещение является самым простым из применений, это только начало. Команда полагает, что белый лазер можно использовать в технологии дисплеев.

Но прежде чем это случится, нужно улучшить сам дизайн. Сейчас он использует обычный лазер как источник питания, но для практичности полупроводник должен уметь вытягивать электроны из батареи. Когда это будет сделано, мы станем на путь к лазерному освещению и дисплеям.