تحقيق مخرجات بصرية عالية لليزر أشباه الموصلات العمودي فوق البنفسجي! تطبيقات عملية واعدة في مجالات الطب والمعالجة بالليزر

في الآونة الأخيرة، قام فريق دراسة بحثي ياباني بتصنيع جهاز ليزر أشباه الموصلات العمودي الذي ينبعث منه الأشعة فوق البنفسجية العميقة القائم على AlGaN، والذي من المتوقع أن يتم تطبيقه في مجالات المعالجة بالليزر والتكنولوجيا الحيوية والطب.
كما نعلم جميعًا، فإن الضوء فوق البنفسجي عبارة عن موجة كهرومغناطيسية يتراوح طولها الموجي ما بين 100 إلى 380 نانومتر. يمكن تقسيم هذه الأطوال الموجية إلى ثلاث مناطق: UV-A (315-380 نانومتر)، والأشعة فوق البنفسجية-B (280-315 نانومتر)، والأشعة فوق البنفسجية-C (100-280 نانومتر). ) ، المنطقتان الأخيرتان تحتويان على ضوء فوق بنفسجي عميق.
يمكن استخدام مصادر ضوء الليزر المنبعثة في منطقة الأشعة فوق البنفسجية، مثل ليزر الغاز وأشعة الليزر ذات الحالة الصلبة المعتمدة على توافقيات ليزر الإيتريوم والألومنيوم والعقيق، في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك التكنولوجيا الحيوية والعلاجات الجلدية وعمليات المعالجة بالأشعة فوق البنفسجية والليزر. يعالج. ومع ذلك، فإن أجهزة الليزر هذه تعاني من الحجم الكبير، والاستهلاك العالي للطاقة، ونطاق الطول الموجي المحدود، وانخفاض الكفاءة.

في السنوات الأخيرة، تم الترويج لتطوير أشعة ليزر أشباه الموصلات عالية الأداء التي تولد الضوء عن طريق حقن التيار بالتوازي مع التطوير المستمر لتكنولوجيا التصنيع. وتشمل هذه الأجهزة التي ينبعث منها الضوء فوق البنفسجي والتي تعتمد على مادة أشباه الموصلات الألومنيوم نيتريد الغاليوم AlGaN. ومع ذلك، فإن الحد الأقصى لطاقة الخرج البصري في منطقة الأشعة فوق البنفسجية العميقة يبلغ حوالي 150 ميجاوات فقط، وهو أقل بكثير من الطاقة المطلوبة للتطبيقات الطبية والصناعية. تعد زيادة تيار حقن الجهاز أمرًا بالغ الأهمية لزيادة طاقة الخرج. وهذا يتطلب زيادة في حجم الجهاز ويحتاج أيضًا إلى التأكد من تدفق التيار بشكل موحد في الجهاز.
في سياق هذا البحث، نجح فريق بحث ياباني بقيادة البروفيسور موتومي إيوايا من قسم علوم وهندسة المواد في جامعة ميجو في تطوير ثنائيات ليزر شبه موصلة عمودية عالية الأداء من نوع AlGaN من النوع UV-B. ونشرت الدراسة في مجلة رسائل الفيزياء التطبيقية.
صرح البروفيسور موتومي إيوايا أن أشعة الليزر فوق البنفسجية العميقة القائمة على AlGaN تستخدم مواد عازلة مثل الياقوت وAlN للحصول على بلورات عالية الجودة. ولكن نظرًا لأن التيار يتدفق أفقيًا في هذه الأجهزة، لتحسين ناتج الضوء، فقد اكتشف العلماء أجهزة رأسية، حيث يواجه القطبان p وn بعضهما البعض في تقاطع pn. ولكن في السنوات القليلة الماضية، تم استخدام التكوينات الرأسية لتصنيع أجهزة أشباه الموصلات عالية الطاقة. لكن بالنسبة لأشعة الليزر شبه الموصلة، فإن تطوير مثل هذه التكوينات كان راكدًا ولم يتم تحقيقه بعد بالنسبة للأجهزة التي ينبعث منها الضوء فوق البنفسجي العميق والتي تعتمد على نيتريد الألومنيوم. ولتحقيق هذه الغاية، قام الباحثون أولاً بتصنيع نيتريد الألومنيوم عالي الجودة على ركيزة من الياقوت. تم بعد ذلك تشكيل أعمدة نانوية دورية من نيتريد الألومنيوم وترسيبها بهياكل ليزر قائمة على نيتريد الألومنيوم.
استخدم الفريق تقنية تجريد الليزر المبتكرة التي تعتمد على ليزر الحالة الصلبة النبضي لتجريد هياكل الجهاز من الركيزة. كما طوروا أيضًا عملية أشباه الموصلات لتصنيع الأقطاب الكهربائية، والهياكل التي تحد من التيار، والطبقات العازلة اللازمة لتذبذبات الليزر، وطريقة الشق باستخدام الشفرات لتشكيل رنانات بصرية ممتازة. يتمتع الصمام الثنائي الليزري لأشباه الموصلات UV-B العميق القائم على AlGaN بخصائص جديدة وفريدة من نوعها. إنه يعمل في درجة حرارة الغرفة، وينبعث منه ضوء حاد للغاية عند 298.1 نانومتر، وله تيار عتبة محدد جيدًا واستقطاب كهربائي عرضي قوي. ولاحظ الباحثون أيضًا نمطًا للمجال البعيد يشبه بقعة الليزر، مما يؤكد تذبذبات الجهاز.
توضح الدراسة أن الأجهزة العمودية يمكنها توفير تيارات عالية لتشغيل الأجهزة عالية الطاقة. وفي المستقبل، ستلعب دورًا أكبر في عمليات التصنيع الجديدة الفعالة من حيث التكلفة للسيارات الكهربائية والذكاء الاصطناعي، من بين أمور أخرى. ويأمل الباحثون أيضًا أن تجد أشعة الليزر فوق البنفسجية العمودية القائمة على نيتريد الألومنيوم تطبيقات عملية في المجالات الطبية والتصنيعية.