Si bien los láseres se inventaron en 1960 y se usan comúnmente en muchas aplicaciones, una característica de la tecnología ha demostrado ser inalcanzable. Nadie ha podido crear un láser que emite luz blanca.
Investigadores de la Universidad Estatal de Arizona han resuelto el rompecabezas. Han demostrado que los láseres de semiconductores son capaces de emitir sobre el espectro de color visible completo, que es necesario para producir un láser blanco.
Los investigadores han creado una nueva nanocapa - una capa delgada de semiconductor que mide aproximadamente una quinta parte del grosor del cabello humano en tamaño con un grosor que es aproximadamente una milésima parte del grosor del cabello humano - con tres paralelassegmentos, cada uno de los cuales soporta la acción del láser en uno de los tres colores elementales. El dispositivo es capaz de durar en cualquier color visible, completamente sintonizable de rojo, verde a azul, o en cualquier color intermedio..
Los investigadores, ingenieros de las Escuelas de Ingeniería Ira A. Fulton de ASU, publicaron sus hallazgos en la publicación anticipada en línea del 27 de julio de la revista Nanotecnología de la naturaleza . Cun-Zheng Ning, profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética, escribió el artículo "Un láser blanco monolítico" con sus estudiantes de doctorado Fan Fan, Sunay Turkdogan, Zhicheng Liu y David Shelhammer. Turkdogan y Liucompletaron sus doctorados después de esta investigación.
El avance tecnológico coloca a los láseres un paso más cerca de ser una fuente de luz convencional y un posible reemplazo o alternativa a los diodos emisores de luz LED. Los láseres son más brillantes, más eficientes energéticamente y pueden proporcionar colores más precisos y vívidos para pantallas como la computadorapantallas y televisores. El grupo de Ning ya ha demostrado que sus estructuras podrían cubrir hasta un 70 por ciento más de colores que el estándar actual de la industria de pantallas.
Otra aplicación importante podría ser en el futuro la comunicación de luz visible en la que los mismos sistemas de iluminación de la sala podrían usarse tanto para la iluminación como para la comunicación. La tecnología en desarrollo se llama Li-Fi para la comunicación inalámbrica basada en la luz, en lugar de laWi-Fi más frecuente usando ondas de radio. Li-Fi podría ser más de 10 veces más rápido que el Wi-Fi actual, y el láser blanco de Li-Fi podría ser de 10 a 100 veces más rápido que el Li-Fi basado en LED que aún se encuentra en desarrollo.
"El concepto de láser blanco primero parece contradictorio porque la luz de un láser típico contiene exactamente un color, una longitud de onda específica del espectro electromagnético, en lugar de un amplio rango de diferentes longitudes de onda. La luz blanca generalmente se ve como una mezcla completade todas las longitudes de onda del espectro visible ", dijo Ning, quien también pasó un tiempo prolongado en la Universidad de Tsinghua en China durante varios años de la investigación.
En la iluminación típica basada en LED, un LED azul está recubierto con materiales de fósforo para convertir una parte de la luz azul en luz verde, amarilla y roja. Esta mezcla de luz de color será percibida por los humanos como luz blanca y, por lo tanto, puede serutilizado para iluminación general.
Sandia National Labs en 2011 produjo luz blanca de alta calidad a partir de cuatro láseres grandes separados. Los investigadores mostraron que el ojo humano se siente tan cómodo con la luz blanca generada por los láseres de diodo como con la producida por LED, inspirando a otros a avanzar en la tecnología.
"Si bien esta demostración pionera de prueba de concepto es impresionante, esos láseres independientes no se pueden usar para la iluminación de la habitación o en pantallas", dijo Ning. "Una sola pieza diminuta de material semiconductor que emite luz láser en todos los colores o en blanco esdeseado."
Los semiconductores, generalmente un elemento químico sólido o compuesto dispuesto en cristales, se usan ampliamente para chips de computadora o para la generación de luz en sistemas de telecomunicaciones. Tienen propiedades ópticas interesantes y se usan para fabricar láseres y LED porque pueden emitir luz de un determinadocolor cuando se les aplica un voltaje. El material emisor de luz más preferido para los semiconductores es el nitruro de indio y galio, aunque otros materiales como el sulfuro de cadmio y el seleniuro de cadmio también se utilizan para emitir colores visibles.
El principal desafío, señalaron los investigadores, radica en la forma en que se cultivan los materiales semiconductores emisores de luz y cómo funcionan para emitir luz de diferentes colores. Normalmente, un semiconductor dado emite luz de un solo color: azul, verde o rojoeso está determinado por una estructura atómica única y un intervalo de energía.
La "constante de red" representa la distancia entre los átomos. Para producir todas las longitudes de onda posibles en el rango espectral visible, necesita varios semiconductores de constantes de red muy diferentes y bandas de energía.
"Nuestro objetivo es lograr una sola pieza semiconductora capaz de funcionar con láser en los tres colores láser fundamentales. La pieza debe ser lo suficientemente pequeña para que las personas puedan percibir solo un color mezclado en general, en lugar de tres colores individuales", dijo Fan. "Pero no fue fácil."
"El obstáculo clave es un problema llamado falta de coincidencia de la red, o la constante de la red es demasiado diferente para los diversos materiales requeridos", dijo Liu. "No hemos podido cultivar diferentes cristales semiconductores juntos en una calidad suficientemente alta, utilizando técnicas tradicionales, si sus constantes de red son demasiado diferentes "
La solución más deseada, según Ning, sería tener una sola estructura de semiconductores que emita todos los colores necesarios. Él y sus estudiantes graduados recurrieron a la nanotecnología para lograr su hito.
La clave es que, a escala nanométrica, se pueden tolerar mejor los desajustes más grandes que en las técnicas de crecimiento tradicionales para materiales a granel. Se pueden cultivar cristales de alta calidad incluso con un gran desajuste de diferentes constantes de red.
Reconociendo esta posibilidad única desde el principio, el grupo de Ning comenzó a buscar las propiedades distintivas de los nanomateriales, como los nanocables o las nanocapas, hace más de 10 años. Él y sus estudiantes han estado investigando varios nanomateriales para ver hasta dónde podían llegar al límite deventajas de los nanomateriales para explorar el crecimiento de alta calidad de cristal de materiales muy diferentes.
Hace seis años, bajo los fondos de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., Demostraron que, de hecho, se podían cultivar materiales de nanocables en una amplia gama de bandas de energía para que se pueda lograr un color sintonizable de rojo a verde en un solo sustrato de aproximadamente un centímetro de largoMás tarde, se dieron cuenta de la operación simultánea del láser en verde y rojo a partir de una sola nanopartícula o nanocables semiconductores. Estos logros desencadenaron la idea de Ning de empujar el sobre aún más para ver si alguna vez es posible un solo láser blanco.
El azul, necesario para producir blanco, demostró ser un gran desafío con su amplio intervalo de energía y propiedades de material muy diferentes.
"Hemos luchado durante casi dos años para cultivar materiales emisores de color azul en forma de nanosheet, lo que se requiere para demostrar eventuales láseres blancos", dijo Turkdogan, quien ahora es profesor asistente en la Universidad de Yalova en Turquía.
Después de una investigación exhaustiva, el grupo finalmente ideó una estrategia para crear primero la forma requerida, y luego convertir los materiales en el contenido de aleación adecuado para emitir el color azul. Turkdogan dijo: "Según nuestro conocimiento, nuestro exclusivoLa estrategia de crecimiento es la primera demostración de un interesante proceso de crecimiento llamado proceso de intercambio de iones duales que permitió la estructura necesaria ".
Esta estrategia de desacoplar las formas y la composición estructural representa un cambio importante de estrategia y un avance importante que finalmente permitió hacer crecer una sola pieza de estructura que contiene tres segmentos de diferentes semiconductores que emiten todos los colores necesarios y los láseres blancos posibles. Turkdogan dijoque "este no es el caso, típicamente, en el crecimiento del material donde las formas y composiciones se logran simultáneamente"
Si bien esta primera prueba de concepto es importante, persisten obstáculos importantes para que dichos láseres blancos sean aplicables para aplicaciones de iluminación o visualización de la vida real. Uno de los próximos pasos cruciales es lograr los láseres blancos similares bajo el accionamiento de una batería.En la presente demostración, los investigadores tuvieron que usar una luz láser para bombear electrones para emitir luz. Este esfuerzo experimental demuestra el primer requisito de material clave y sentará las bases para los eventuales láseres blancos bajo operación eléctrica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Original escrito por Sharon Keeler. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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