Weltweit erste kontinuierliche

Von der Nagoya University, 24. November 2022

Den Forschern gelang es, den weltweit ersten Dauerstrichlaserbetrieb einer Laserdiode im tiefen Ultraviolett bei Raumtemperatur erfolgreich durchzuführen. Bildnachweis: 2022 Asahi Kasei Corp. und Nagoya University

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"}]">Das Institut für Materialien und Systeme für Nachhaltigkeit (IMaSS) der Universität Nagoya in Zentraljapan hat in Zusammenarbeit mit der Asahi Kasei Corporation Folgendes getan

Seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren und nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung konnten Laserdioden (LDs) schließlich für eine Reihe von Anwendungen mit Wellenlängen von Infrarot bis Blauviolett erfolgreich kommerzialisiert werden. Beispiele für diese Technologie sind optische Kommunikationsgeräte mit Infrarot-LDs und Blue-Ray-Discs mit blau-violetten LDs. Trotz der Bemühungen von Forschungsgruppen auf der ganzen Welt gelang es jedoch niemandem, LDs im tiefen Ultraviolett zu entwickeln. Ein entscheidender Durchbruch gelang erst nach 2007 mit dem Aufkommen einer Technologie zur Herstellung von Aluminiumnitrid (AlN)-Substraten, einem idealen Material für die Züchtung von Aluminiumgalliumnitrid (AlGaN)-Filmen für UV-Licht emittierende Geräte.

Als Weltneuheit demonstrieren Wissenschaftler den kontinuierlichen Laserbetrieb einer tief-ultravioletten Laserdiode bei Raumtemperatur. Bildnachweis: Issey Takahashi

Ab 2017 begann die Forschungsgruppe von Professor Amano in Zusammenarbeit mit Asahi Kasei, dem Unternehmen, das 2-Zoll-AlN-Substrate bereitstellte, mit der Entwicklung eines LD im tiefen Ultraviolett. Zunächst war es zu schwierig, ausreichend Strom in das Gerät einzuspeisen, was die Weiterentwicklung von UV-C-Laserdioden verhinderte. Doch 2019 gelang es der Forschungsgruppe, dieses Problem mithilfe einer polarisationsinduzierten Dotiertechnik erfolgreich zu lösen. Zum ersten Mal stellten sie ein kurzwelliges ultraviolett-sichtbares (UV-C) LD her, das mit kurzen Stromimpulsen arbeitet. Die für diese Stromimpulse erforderliche Eingangsleistung betrug jedoch 5,2 W. Dies war für Dauerstrichlaser zu hoch, da die Leistung dazu führen würde, dass sich die Diode schnell erwärmte und nicht mehr zu lasern begann.

Doch nun haben Forscher der Universität Nagoya und Asahi Kasei die Struktur des Geräts selbst umgestaltet und so die Antriebsleistung reduziert, die erforderlich ist, damit der Laser bei Raumtemperatur auf nur 1,1 W arbeitet. Es wurde festgestellt, dass frühere Geräte eine hohe Betriebsleistung benötigen, da aufgrund von Kristallfehlern, die am Laserstreifen auftreten, keine effektiven Strompfade möglich sind. In dieser Studie stellten die Forscher jedoch fest, dass die starke Kristallspannung diese Defekte verursacht. Durch eine geschickte Anpassung der Seitenwände des Laserstreifens unterdrückten sie die Defekte, sorgten für einen effizienten Stromfluss zum aktiven Bereich der Laserdiode und reduzierten die Betriebsleistung.

Die industriewissenschaftliche Kooperationsplattform der Universität Nagoya mit dem Namen Center for Integrated Research of Future Electronics, Transformative Electronics Facilities (C-TEFs) ermöglichte die Entwicklung der neuen UV-Lasertechnologie. Im Rahmen von C-TEFs teilen sich Forscher von Partnern wie Asahi Kasei den Zugang zu hochmodernen Einrichtungen auf dem Campus der Nagoya-Universität und stellen ihnen die Menschen und Werkzeuge zur Verfügung, die sie zum Bau reproduzierbarer, qualitativ hochwertiger Geräte benötigen. Zhang Ziyi, ein Vertreter des Forschungsteams, war in seinem zweiten Jahr bei Asahi Kasei, als er an der Gründung des Projekts beteiligt wurde. „Ich wollte etwas Neues machen“, sagte er in einem Interview. „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‘.“

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"}]"> Virenerkennung, Partikelmessung, Gasanalyse und hochauflösende Laserbearbeitung. „Seine Anwendung auf die Sterilisationstechnologie könnte bahnbrechend sein“, sagte Zhang. „Im Gegensatz zu den aktuellen LED-Sterilisationsmethoden, die zeitineffizient sind, können Laser große Flächen in kurzer Zeit und über große Entfernungen desinfizieren.“ Diese Technologie könnte insbesondere Chirurgen und Krankenschwestern zugute kommen, die sterilisierte Operationssäle und Leitungswasser benötigen.

Über die erfolgreichen Ergebnisse wurde in zwei Artikeln in der Zeitschrift Applied Physics Letters berichtet.

Verweise:

„Wichtige temperaturabhängige Eigenschaften einer AlGaN-basierten UV-C-Laserdiode und Demonstration des kontinuierlichen Wellenlaserns bei Raumtemperatur“ von Ziyi Zhang, Maki Kushimoto, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Chiaki Sasaoka, Leo J. Schowalter und Hiroshi Amano, 1999; 24. November 2022, Applied Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0124480

„Lokale Spannungskontrolle zur Unterdrückung der Versetzungserzeugung für pseudomorphisch gewachsene AlGaN-UV-C-Laserdioden“ von Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Yoshio Honda, Chiaki Sasaoka, Leo J. Schowalter und Hiroshi Amano, 24. November 2022, Angewandt Physics Letters.DOI: 10.1063/5.0124512