Das weltweit erste Dauerstrichlasern bei Raumtemperatur einer Laserdiode im tiefen Ultraviolett (Wellenlängen bis zum UV-C-Bereich) wurde von einem Forschungsteam am Institute of Materials and Systems for Sustainability (IMaSS) der Universität Nagoya in Zentraljapan fertiggestellt die Leitung des Nobelpreisträgers 2014 Hiroshi Amano.

Diese Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Applied Physics Letters veröffentlicht wurden  , stellen einen wichtigen Schritt hin zur weitverbreiteten Einführung der Technologie dar, die das Potenzial für zahlreiche Anwendungen wie Sterilisation und Medizin bietet.

Nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren wurden Laserdioden (LDs) endlich erfolgreich für eine Vielzahl von Anwendungen mit Wellenlängen von Infrarot bis Blauviolett kommerzialisiert. Beispiele für diese Technologie sind Blue-Ray-Discs, die Ultraviolett-LDs verwenden, und optische Kommunikationsgeräte mit Infrarot-LDs.

Trotz der Bemühungen von Forschungsteams aus aller Welt gelang es jedoch niemandem, LDs im tiefen Ultraviolett zu erzeugen. Nach 2007 entstand eine Technologie zur Herstellung von Aluminiumnitrid (AlN)-Substraten, dem perfekten Material für die Züchtung von Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Filmen für UV-Licht emittierende Geräte.

Im Jahr 2017 begann das Forschungsteam von Professor Amano in Zusammenarbeit mit Asahi Kasei, dem Lieferanten von 2-Zoll-AlN-Substraten, mit der Entwicklung eines LD im tiefen Ultraviolett. Die Entwicklung von UV-C-Laserdioden wurde zunächst dadurch behindert, dass es nicht möglich war, ausreichend Strom in das Gerät einzuspeisen.

Doch im Jahr 2019 nutzte das Forschungsteam eine polarisationsinduzierte Dopingtechnik, um dieses Problem erfolgreich zu lösen. Sie entwickelten ein Ultraviolett-sichtbares (UV-C) LD, das erstmals kurze Stromimpulse nutzt.

Allerdings benötigten diese Stromimpulse nur 5,2 W Eingangsleistung. Aufgrund der Leistung würde sich die Diode schnell erwärmen und aufhören zu lasern, wodurch dieser Wert für Dauerstrichlaser zu hoch wäre.

Die Struktur des Geräts wurde nun von Wissenschaftlern der Universität Nagoya und Asahi Kasei geändert, wodurch die erforderliche Antriebsleistung für den Betrieb des Lasers auf nur 1,1 W bei Raumtemperatur gesenkt wurde. Da frühere Geräte aufgrund von Kristalldefekten am Laserstreifen keine effizienten Strompfade erzeugen konnten, wurde festgestellt, dass sie für den Betrieb viel Strom benötigten.

Allerdings entdeckten die Forscher in dieser Studie, dass die starke Kristallspannung die Ursache für diese Fehler ist. Sie haben die Defekte erfolgreich unterdrückt, einen effektiven Stromfluss zum aktiven Bereich der Laserdiode erreicht und die Betriebsleistung durch geschickte Anpassung der Seitenwände des Laserstreifens gesenkt.

Das Center for Integrated Research of Future Electronics, Transformative Electronics Facilities (C-TEFs), eine Plattform für die Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft an der Universität Nagoya, ermöglichte die Entwicklung der neuartigen UV-Lasertechnologie.

C-TEFs ermöglichen Forschern von Asahi Kasei Zugang zu hochmodernen Einrichtungen auf dem Campus der Universität Nagoya und stellen ihnen die Menschen und Ressourcen zur Verfügung, die sie für die Entwicklung zuverlässiger, hochwertiger Geräte benötigen.

Ziyi Zhang, ein Mitglied des Forschungsteams, war bereits als Student im zweiten Jahr an der Asahi Kasei am Start des Projekts beteiligt.

Ich wollte etwas Neues machen. Damals ging jeder davon aus, dass die Laserdiode im tiefen Ultraviolett unmöglich sei, aber Professor Amano sagte mir: „Wir haben es zum blauen Laser geschafft, jetzt ist die Zeit für Ultraviolett.“

Ziyi Zhang, Forscher, Asahi Kasei

Diese Studie markiert einen Wendepunkt in der praktischen Anwendung und Weiterentwicklung von Halbleiterlasern über das gesamte Wellenlängenspektrum. In Zukunft könnten UV-C-LDs in der hochauflösenden Laserbearbeitung, Virenerkennung, Partikelmessung und Gasanalyse eingesetzt werden.

Zhang fügte hinzu: „ Seine Anwendung in der Sterilisationstechnologie könnte bahnbrechend sein.“ Im Gegensatz zu den aktuellen LED-Sterilisationsmethoden, die zeitineffizient sind, können Laser große Flächen in kurzer Zeit und über große Entfernungen desinfizieren. ”

Für Chirurgen und Krankenschwestern, die sterile Operationssäle und Leitungswasser benötigen, könnte diese Technologie von großem Nutzen sein.

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