El primer continuo del mundo

Por Universidad de Nagoya 24 de noviembre de 2022

Los investigadores realizaron con éxito la primera emisión láser de onda continua a temperatura ambiente del mundo de un diodo láser ultravioleta profundo. Crédito: 2022 Asahi Kasei Corp. y la Universidad de Nagoya

Scientists have successfully conducted the world's first room-temperature continuous-wave lasing of a deep-ultraviolet laser diode (wavelengths down to UV-C region). These results represent a step toward the widespread use of a technology with the potential for a wide range of applications, including sterilization and medicine. Published today (November 24) in the jorunal Applied Physics LettersApplied Physics Letters (APL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Institute of Physics. It is focused on applied physics research and covers a broad range of topics, including materials science, nanotechnology, photonics, and biophysics. APL is known for its rapid publication of high-impact research, with a maximum length of three pages for letters and four pages for articles. The journal is widely read by researchers and engineers in academia and industry, and has a reputation for publishing cutting-edge research with practical applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Applied Physics Letters, the study was conducted by a research group led by 2014 Nobel laureate Hiroshi Amano at Nagoya UniversityNagoya University, sometimes abbreviated as NU, is a Japanese national research university located in Chikusa-ku, Nagoya. It was the seventh Imperial University in Japan, one of the first five Designated National University and selected as a Top Type university of Top Global University Project by the Japanese government. It is one of the highest ranked higher education institutions in Japan." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">El Instituto de Materiales y Sistemas para la Sostenibilidad (IMaSS) de la Universidad de Nagoya en el centro de Japón, en colaboración con Asahi Kasei Corporation, ha

Desde que se introdujeron en la década de 1960, y después de décadas de investigación y desarrollo, finalmente se logró la comercialización exitosa de diodos láser (LD) para una serie de aplicaciones con longitudes de onda que van desde el infrarrojo hasta el azul-violeta. Los ejemplos de esta tecnología incluyen dispositivos de comunicaciones ópticas con LD infrarrojos y discos de rayos azules que usan LD azul-violeta. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos de los grupos de investigación de todo el mundo, nadie pudo desarrollar LD ultravioleta profundo. Un avance clave solo ocurrió después de 2007 con el surgimiento de la tecnología para fabricar sustratos de nitruro de aluminio (AlN), un material ideal para el cultivo de películas de nitruro de aluminio y galio (AlGaN) para dispositivos emisores de luz UV.

Por primera vez en el mundo, los científicos demuestran la emisión de láser de onda continua de diodo láser ultravioleta profundo a temperatura ambiente. Crédito: Issey Takahashi

A partir de 2017, el grupo de investigación del profesor Amano, en cooperación con Asahi Kasei, la empresa que proporcionó sustratos AlN de 2 pulgadas, comenzó a desarrollar un LD ultravioleta profundo. Al principio, la inyección suficiente de corriente en el dispositivo era demasiado difícil, lo que impedía un mayor desarrollo de los diodos láser UV-C. Pero en 2019, el grupo de investigación resolvió con éxito este problema utilizando una técnica de dopaje inducida por polarización. Por primera vez, produjeron un LD ultravioleta-visible (UV-C) de longitud de onda corta que funciona con pulsos cortos de corriente. Sin embargo, la potencia de entrada necesaria para estos pulsos de corriente era de 5,2 W. Esto era demasiado alto para la emisión de láser de onda continua porque la potencia haría que el diodo se calentara rápidamente y dejara de emitir el láser.

Pero ahora, los investigadores de la Universidad de Nagoya y Asahi Kasei han remodelado la estructura del propio dispositivo, reduciendo la potencia de accionamiento necesaria para que el láser funcione a solo 1,1 W a temperatura ambiente. Se descubrió que los dispositivos anteriores requerían altos niveles de potencia operativa debido a la incapacidad de caminos de corriente efectivos debido a los defectos del cristal que ocurren en la franja láser. Pero en este estudio, los investigadores encontraron que la fuerte tensión del cristal crea estos defectos. Al adaptar inteligentemente las paredes laterales de la franja láser, suprimieron los defectos, lograron un flujo de corriente eficiente a la región activa del diodo láser y redujeron la potencia operativa.

La plataforma de cooperación industrial-académica de la Universidad de Nagoya, denominada Centro para la Investigación Integrada de la Electrónica del Futuro, Instalaciones Electrónicas Transformativas (C-TEF), hizo posible el desarrollo de la nueva tecnología láser UV. Bajo C-TEF, los investigadores de socios como Asahi Kasei comparten el acceso a instalaciones de última generación en el campus de la Universidad de Nagoya, brindándoles las personas y las herramientas necesarias para construir dispositivos reproducibles de alta calidad. Zhang Ziyi, un representante del equipo de investigación, estaba en su segundo año en Asahi Kasei cuando se involucró en la fundación del proyecto. "Quería hacer algo nuevo", dijo en una entrevista. "En aquel entonces, todos asumieron que el diodo láser ultravioleta profundo era imposible, pero el profesor Amano me dijo: 'Llegamos al láser azul, ahora es el momento del ultravioleta'".

This research is a milestone in the practical application and development of semiconductor lasers in all wavelength ranges. In the future, UV-C LDs could be applied to healthcare, virusA virus is a tiny infectious agent that is not considered a living organism. It consists of genetic material, either DNA or RNA, that is surrounded by a protein coat called a capsid. Some viruses also have an outer envelope made up of lipids that surrounds the capsid. Viruses can infect a wide range of organisms, including humans, animals, plants, and even bacteria. They rely on host cells to replicate and multiply, hijacking the cell's machinery to make copies of themselves. This process can cause damage to the host cell and lead to various diseases, ranging from mild to severe. Common viral infections include the flu, colds, HIV, and COVID-19. Vaccines and antiviral medications can help prevent and treat viral infections." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> detección de virus, medición de partículas, análisis de gases y procesamiento láser de alta definición. "Su aplicación a la tecnología de esterilización podría ser innovadora", dijo Zhang. "A diferencia de los métodos de esterilización LED actuales, que son ineficientes en el tiempo, los láseres pueden desinfectar grandes áreas en poco tiempo y en largas distancias". Esta tecnología podría beneficiar especialmente a los cirujanos y enfermeras que necesitan quirófanos esterilizados y agua del grifo.

Los resultados exitosos se informaron en dos artículos en la revista Applied Physics Letters.

Referencias:

"Características clave dependientes de la temperatura del diodo láser UV-C basado en AlGaN y demostración de láser de onda continua a temperatura ambiente" por Ziyi Zhang, Maki Kushimoto, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Chiaki Sasaoka, Leo J. Schowalter y Hiroshi Amano, 1999, 24 de noviembre de 2022, Letras de Física Aplicada.DOI: 10.1063/5.0124480

"Control de estrés local para suprimir la generación de dislocaciones para diodos láser AlGaN UV-C pseudomórficos" por Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Yoshio Honda, Chiaki Sasaoka, Leo J. Schowalter e Hiroshi Amano, 24 de noviembre de 2022, aplicado Letras de Física.DOI: 10.1063/5.0124512