Un grupo de investigación dirigido por el Premio Nobel 2014 Hiroshi Amano en 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 realizado con éxito el primer láser de onda continua a temperatura ambiente del mundo de un profundidad – diodo láser ultravioleta (longitudes de onda hasta el rango UV-C). Estos resultados, publicados en letras de fisica aplicadarepresentan un paso hacia la adopción generalizada de una tecnología que tiene el potencial para una amplia gama de aplicaciones, incluidas la esterilización y la medicina.

Crédito: 2022 ASAHI KASEI CORP. Y UNIVERSIDAD DE NAGOYA

Un grupo de investigación dirigido por el Premio Nobel 2014 Hiroshi Amano en 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 realizado con éxito el primer láser de onda continua a temperatura ambiente del mundo de un profundidad – diodo láser ultravioleta (longitudes de onda hasta el rango UV-C). Estos resultados, publicados en letras de fisica aplicadarepresentan un paso hacia la adopción generalizada de una tecnología que tiene el potencial para una amplia gama de aplicaciones, incluidas la esterilización y la medicina.

Desde su introducción 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 variedad de aplicaciones con longitudes de onda que van desde el infrarrojo hasta el azul violeta. Ejemplos de esta tecnología son los dispositivos de comunicación óptica con LD infrarrojos y los discos de rayos azules con LD azul-violeta. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos de los grupos de investigación de todo el mundo, nadie ha podido desarrollar LD de ultravioleta profundo. Un gran avance se produjo solo después de 2007 con el advenimiento de la tecnología para fabricar sustratos de nitruro de aluminio (AlN), un material ideal para cultivar películas de nitruro de galio y aluminio (AlGaN) para dispositivos emisores de luz UV.

A partir de 2017, el grupo de investigación del profesor Amano comenzó a desarrollar un LD ultravioleta profundo en colaboración con Asahi Kasei, la empresa que proporcionó sustratos AlN de 2 pulgadas. Inicialmente, la inyección de corriente suficiente 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 con una técnica de dopaje inducida por polarización. Por primera vez, produjeron un LD UV-visible (UV-C) de longitud de onda corta que funciona con pulsos de corriente cortos. Sin embargo, la potencia de entrada necesaria para estos pulsos de corriente era de 5,2 W. Esto era demasiado alto para el láser CW 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 rediseñado la estructura del dispositivo en sí, reduciendo la potencia de accionamiento necesaria para operar el láser a solo 1,1 W a temperatura ambiente. Se ha encontrado que los dispositivos anteriores requieren una alta potencia operativa debido a la incapacidad de caminos de corriente efectivos debido a los defectos del cristal que ocurren en la banda láser. Pero en este estudio, los investigadores encontraron que la fuerte tensión del cristal crea estos defectos. Al cortar hábilmente las paredes laterales de la franja láser, suprimieron los defectos, lograron un flujo de corriente eficiente hacia el área activa del diodo láser y redujeron la potencia operativa.

La plataforma de colaboración de la Universidad de Nagoya denominada Centro para la Investigación Integrada de la Electrónica del Futuro, Instalaciones de Electrónica Transformativa (C-TEF) permitió el desarrollo de la nueva tecnología láser UV. A través de 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 con Asahi Kasei cuando ayudó a fundar el proyecto. «Quería hacer algo nuevo», dijo en una entrevista. «En ese entonces, todos pensaban que el diodo láser ultravioleta profundo era imposible, pero el profesor Amano me dijo: ‘Hemos llegado al láser azul, ahora es el momento del ultravioleta'».

Esta investigación es un hito en la aplicación práctica y el desarrollo de láseres semiconductores en todos los rangos de longitud de onda. En el futuro, los LD UV-C podrían usarse en atención médica, detección de virus, medición de partículas, análisis de gases y procesamiento láser de alta resolución. «Su aplicación en la tecnología de esterilización podría ser innovadora», dijo Zhang. «A diferencia de los métodos de esterilización LED actuales, que son ineficientes en términos de tiempo, los láseres pueden desinfectar grandes áreas en poco tiempo y en largas distancias». Esta tecnología podría beneficiar particularmente a los cirujanos y enfermeras que necesitan quirófanos esterilizados y agua del grifo.

Los resultados exitosos se informaron en dos publicaciones. letras de fisica aplicada Como sigue.

Título: Importantes propiedades dependientes de la temperatura de los diodos láser UV-C basados ​​en AlGaN y demostración de láseres de onda continua a temperatura ambiente
Autores: Ziyi Zhang, Maki Kushimoto, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Chiaki Sasaoka, Leo J Schowalter y Hiroshi Amano
DOI: 10.1063/5.0124480 (se publicará en línea el 28 de noviembre de 2022)
URL del repositorio institucional de la Universidad de Nagoya: http://hdl.handle.net/2237/0002003984 (se publicará el 24 de noviembre de 2022 a las 5:00 p. m. JST)

Título: Control de tensión local para suprimir la generación de dislocaciones para diodos láser AlGaN UV-C de crecimiento pseudomórfico
Autores: Maki Kushimoto, Ziyi Zhang, Akira Yoshikawa, Koji Aoto, Yoshio Honda, Chiaki Sasaoka, Leo J. Schowalter y Hiroshi Amano
DOI: 10.1063/5.0124512 (se publicará en línea el 28 de noviembre de 2022)
URL del repositorio institucional de la Universidad de Nagoya: http://hdl.handle.net/2237/0002003985 (se publicará el 24 de noviembre de 2022 a las 5:00 p. m. JST)


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