Niebieski laser

Niebieski laser półprzewodnikowy to potoczna nazwa diody laserowej zbudowanej na bazie azotku galu (GaN). Nazwa pochodzi od koloru światła które emituje dioda, jest ona zresztą w znacznym stopniu myląca ze względu na to, że najbardziej typowa konstrukcja tego lasera emituje światło o długość fali 405 nm. Oko ludzkie widzi takie światło jako purpurowe. Pierwsza półprzewodnikowa dioda laserowa została wytworzona przez Shuji'ego Nakamurę z japońskiej firmy Nichia Chemicals na przełomie roku 1995 i 1996. Był to laser emisji krawędziowej, z warstwa aktywną zbudowaną ze studni kwantowych InGaN. Początkowo struktury te były wytwarzane na podłożach z szafiru, obecnie lasery mają podłoża z monokrystalicznego azotku galu. Wkrótce po demonstracji Nakamury (firma Nichia) wiele firm i uniwersytetów japońskich i amerykańskich włączyło się do rywalizacji o stworzenie wydajnego i trwałego lasera półprzewodnikowego na azotku galu. Były to między innymi:

1. 1996 Toshiba
2. 1997 Fujitsu
3. 1997 XEROX
4. 1997 Cree razem z North Carolina State University

Konstrukcja niebieskiej diody laserowej na azotku galu

Schemat niebieskiej diody laserowej

Diody laserowe emitujące światło niebieskie zbudowane w oparciu o azotek galu sa to przyrządy o emisji krawędziowej i typowej dla diod laserowych konstrukcji o rozdzielonym ograniczeniu przestrzennym pola i nośników (Separate Confinement Heterostructure - SCH). Światłowodem w takiej strukturze jest typowo warstwa azotku galu o szerokośći 200-300 nm. Okładkami światłowodu są warstwy AlGaN o szerokościach od 500 do 2000 nm i zawartości aluminium od 5 do 10%. Warstwą aktywną (emitującą światło) są studnie kwantowe InGaN. Mają one szerokość około 3-4 nm i zawartość indu od 7 do 25% w zależności od pożądanej długości fali emisji. Podłożem dla takich laserów jest monokrystaliczny azotek galu. Obecnie struktura laserowa narastana jest z reguły na powierzchni c kryształu azotku galu (związek ten krystalizuje w heksagonalnej strukturze wurcytu). Ze względu na to, że wzrost warstw lasera następuje w zdłuż polarnej osi c kryształu, struktury takie posiadają bardzo wysokie, wbudowane pola piezoelektryczne i piroelektryczne wpływające na własności optyczne przyrządów. Obecnie w wielu grupch prowadzi się prace nad wytwarzaniem struktur laserowych na niepolarnych lub tak zwanych semipolarnych powierzchniach kryształów GaN.

Szczegóły montażu niebieskich diod laserowych w obudowach 5.6 mm. Z archiwum IWC PAN

Od strony processingowej niebieskie diody laserowe wytwarzane sa zwykle jako lasery wąskopaskowe (szerokość paska od 1.5-2 um), z trawioną mesą i izolacją tlenkową.

Lasery azotkowe montowane są w hermetycznych obudowach o rozmiarach 5.6 mm.

Parametry niebieskich diod laserowych

Lasery wytwarzane na azotku galu emitują światło w zakresie od bliskiego ultrafioletu do niebiesko-zielonego (370-500 nm), w zależności od składu chemicznego warstwy aktywnej. Gestości prądu progowego w tych laserach są rzędu 2-5 kA/cm². Napiecia progowe wynoszą 3.8 do 5.5 V w zależności od konstrukcji lasera. Sprawności przyrządów są rzędu 0.8-1.8

Lasery emisji powierzchniowej - VCSEL

Konstrukcja laserów emisji powierzchniowej na azotku galu (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) od dawna była celem wielu grup badawczych. Jednak, konstrukcja tych przyrządów była niezwykle trudna ze względu na problemy w otrzymaniu monolitycznych zwierciadeł Bragga, posiadajacych zarówno dobre właściwości strukturalne jak i zadowalające parametry elektryczne. Dopiero ostatnio dzieki zastosowaniu technik hybrydowych (użycie zewnętrznych zwierciadeł dielektrycznych) udało sie grupie z Taiwanu zademonstrowac po praz pierwszy taki laser. Wkrótce potem, firma Nichia zademonstrowała pracujacy w temperaturze pokojowej azotkowy VCSEL

Lasery polarytonowe

Lasery polarytonowe stanowią zupełnie nowa koncepcję emiterów koherentnego światła. W klasycznym laserze półprzewodnikowym mechanizmem wzmocnienia jest emisja wymuszona, która prowadzi do uporządkowani układu fotonów. W laserze polarytonowym, mamy do czynienia z polarytonami ekscytonowymi, quasi-cząstkami będącymi kombinacją stanów fotonowych i ekscytonowych. Takie cząstki mają charakter bozonowy. W przypadku ich kondensacji, cały system-elektronowo fotonowy staje się koherentny i możliwa jest emisja światła o charakterze laserowym, bez inwersji obsadzeń! Azotek galu jest materiałem szczególnie dobrze predestynowanym do wytworzenia na nim takich emiterów, ze względu między innymi na wysoką energię wiązania ekscytonów. Pierwszy, pompowany optycznie, laser polarytonowy na azotku galu został zademonstrowany przez grupę z EPFL - Szwajcaria i Uniwersytetu w Southhampton w Wielkiej Brytanii

Niebieski laser w Europie

Badania nad azotkowymi diodami laserowymi w Europie rozwijane były w kilku ośrodkach. Poniżej podajemy daty kilku pierwszych demonstracji laserów opartych na azotku galu przeprowadzonych w Europie:

1. -lipiec 1999, Osram OS Regensburg
2. -grudzień 2001, CBW PAN "Unipress" Warszawa (obecnie IWC PAN)
3. -maj 2002, Uniwersytet w Bremen (grupa prof. Detlefa Hommela)

Badania niebieskich laserów półprzewodnikowych prowadzone były w późniejszych latach również na uniwersytetach w Sheffield w Wielkiej Brytanii, Bath w Wielkiej Brytanii, w Instytucie Fraunhofera we Freiburgu i w Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) - Szwajcaria

Jesli chodzi o produkcję przemysłową laserów niebieskich w Europie tylko dwie firmy obecnie przygotowują się do wdrożenia takowej. Sa to niemiecka firma Osram OS i polska firma TopGaN będąca spin-offem Instytutu Wysokich Ciśnień w Warszawie. Obie wspomniane firmy mają zamiar rozpocząć seryjną produkcję w 2009 roku.

Polska technologia produkcji

W Polsce technologię niebieskich laserów na azotku galu rozwija Instytut Wysokich Ciśnień PAN w Warszawie i jego spin-off TopGaN Sp. z o.o[1]. Ta technologia oparta jest na metodzie wysokociśnieniowej syntezy azotku galu, która umożliwia otrzymywanie podłoży o bardzo niskiej ilości dyslokacji. Polski niebieski laser został zademonstrowany w grudniu 2001 . Od tego czasu trwa trwają prace nad optymalizacją lasera i budowana jest linia produkcyjna. W tej grupie zademonstrowano również pierwszy laser niebieski wykonany ultraczystą technologią PAMBE (Plasma Assisted Molecular Beam Epitaxy).

Wczesna konstrukcja niebieskiej diody laserowej z Instytutu Wysokich Ciśnień w Warszawie

Ważną grupą rozwijającą technologie produkcji podłoży z monokrystalicznego azotku galu jest warszawska firma Ammono Sp. z o.o.[2].Firma ta zademonstrowała doskonałe wyniki w syntezie azotku galu metodą amonotermalną. Podłoża takie mogą być użyte do produkcji diod laserowych. Wysokiej jakości, dwu calowe kryształy podłożowe azotku galu wykonane przez tę firmę, pokazują, że jest ona liderem światowym w tej technologii (amonotermalnej) i może w przyszłości stać się ważnym producentem podłoży z azotku galu dla przemysłu elektronicznego i optoelektronicznego.

Zastosowanie azotkowych diod laserowych

Pierwotnie, głównym motorem rozwoju azotkowych diod laserowych było wytworzenie nowych systemów optycznego zapisu informacji. Obecnie produkowane systemy w standardzie Blu-ray posługują się tego typu diodami laserowymi. Urządzeniem masowo wykorzystującym takie napędy są konsole Sony PlayStation 3. Głównymi producentami tego typu diod w Japonii są: Nichia, Sony, Sanyo i Sharp. Obecnie duże zainteresowanie przemysłu budzą diody laserowe o dłuższych falach emisji: 440-530 nm. Takie lasery mogą być wykorzystane jako składowe światła niebieskiego i zielonego w telewizji laserowej i mikro projektorach światła w telefonach komórkowych nowej generacji.

Przykładowe zastosowania laserów niebieskich:

1. Optyczny zapis i odczyt informacji: Blu-ray i HD DVD
2. Szybki druk laserowy
3. Wyświetlacze i telewizja laserowa (aplikacje w trakcie rozwijania)
4. Diagnostyka medyczna
5. Urządzenia fotolitograficzne

Polska technologia produkcji

Ma wymiary kilku dziesiątych milimetra, program jego budowy realizowany był i jest w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN.

Emituje kwanty światła (fotony) o energii dwukrotnie większej od światła lasera czerwonego.

Światło niebieskie ma znacznie większą energię niż czerwone, a także krótszą falę (ok. 415 nm), dzięki czemu pozwala na skupienie wiązki lasera na mniejszym polu. Niebieskie lasery o pracy impulsowej posiadają moc do 1 W natomiast o pracy ciągłej do 200 mW. Polska posiada około 2% udziału w rynku niebieskich laserów, a utrzymanie lub powiększenie tego udziału potrzebuje jeszcze wiele pracy i inwestycji.

Inne odmiany

Istnieje również japońska odmiana niebieskiego lasera do którego użyto podłoża z szafiru i dopiero nałożono warstwę GaN (azotek galu), w odróżnieniu od polskiego o podłożu z kryształu GaN. Użycie podłoża z GaN daje jednolitą strukturę urządzenia co eliminuje błędy i defekty związane z łączeniem kryształów o różnej strukturze.

Patenty

Polska technologia (produkcja za pomocą metody epitaksji wodorkowej (HVPE)), jest chroniona kilkoma międzynarodowymi patentami