Laser trắng lần đầu tiên được phát triển

Nguyên lý của thiết bị phát laser màu trắng (Theo ASU.edu)

LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích) là một thiết bị phát ánh sáng được dùng rất phổ biến từ nhiều thập kỷ qua, với khả năng phát ra chùm sáng song song có cường độ lớn, với độ đơn sắc và tính kết hợp cực cao. Được phát triển từ những thập kỷ 1960s, nhưng tới nay, nhân loại vẫn chỉ có các thiết bị phát laser với chùm sáng có một bước sóng (một màu sắc nhất định), và chùm sáng màu trắng chưa từng được giới thiệu. Mới đây, các nhà khoa học ở Đại học Tiểu bang Arizona (Hoa Kỳ) đã công bố thiết bị phát laser trắng lần đầu tiên bằng cách sử dụng cấu trúc nano bán dẫn với nhiều mảng ghép laser khác nhau. Thành tựu này hi vọng tạo nên sự đột phá trong các công nghệ quang, thông tin quang mà ở đó ánh sáng laser trắng làm nền tảng (Theo tin từ Nature Nanotechnology and ASU News).

Nhóm nghiên cứu ở Đại học Tiểu bang Arizona (Hoa Kỳ) lãnh đạo bởi GS. Cun-Zheng Ning (một nhà khoa học gốc Hoa, cũng đồng thời là giáo sư kiêm nhiệm Đại học Thanh Hoa (Trung Hoa) đã công bố thành tựu này trên tạp chí danh tiếng Nature Nanotechnology (bài báo xuất bản ngày 27/7/2015). Thiết bị laser dựa trên cấu trúc nano bán dẫn đa mảnh ghép ZnCdSSe cho phép phát ra ánh sáng laser màu trắng.

Để tạo ra thiết bị phát laser màu trắng, nhóm nghiên cứu đã phát triển cấu trúc nano bán dẫn nhiều mảnh ghép, mà ở đó mỗi mảnh ghép sẽ phát ra một ánh sáng laser có màu đơn sắc riêng. Ở đây, họ phát triển một cấu trúc dị thể với 3 mảnh ghép dựa trên hợp chất của ZnCdSSe bao gồm Zn0.7Cd0.3S0.3Se0.7 (có độ rộng vùng cấm 2.6949 eV), Zn0.4Cd0.6S0.15Se0.85 (có độ rộng vùng cấm  2.3101 eV) và Zn0.25Cd0.75S0.05Se0.95 (có độ rộng vùng cấm 2.0573 eV) do đó cho phép phát ra 3 ánh sáng laser với các màu sắc đỏ (bước sóng 590 nm), xanh lá cây (530 nm) và xanh da trời (455 nm). Bằng cách sử dụng kỹ thuật lắng đọng pha hơi hóa học (Chemical Vapour Deposition – CVD) từ hai vật liệu nguồn là CdSe và ZnS với sự kiểm soát phân bố nhiệt độ trong lò chân không, quá trình mọc ghép từng phần vật liệu được điều khiển, cho các mảnh (segment) với các thành phần như trên có thể mọc ghép thành cấu trúc dị thể.

Hình 1. Cấu trúc và thành phần của cấu trúc nano dị thể đa mảnh bán dẫn: (a) Ảnh TEM một tấm nanodị thể, (b) ảnh HRTEM 3 phần của dị thể, (c) phổ nhiễu xạ điện tử của 3 phần, (d) Ảnh SEM chụp tấm nano với độ dày 70 nm, (e,f) ảnh huỳnh quang cấu trúc dị thể với các màu sắc tương ứng với 3 mảnh ghép, (g,h) phân bố thành phần các nguyên tố. Ảnh từ Nature Nanotechnology.
Hình 1. Cấu trúc và thành phần của cấu trúc nano dị thể đa mảnh bán dẫn: (a) Ảnh TEM một tấm nanodị thể, (b) ảnh HRTEM 3 phần của dị thể, (c) phổ nhiễu xạ điện tử của 3 phần, (d) Ảnh SEM chụp tấm nano với độ dày 70 nm, (e,f) ảnh huỳnh quang cấu trúc dị thể với các màu sắc tương ứng với 3 mảnh ghép, (g,h) phân bố thành phần các nguyên tố. Ảnh từ Nature Nanotechnology.

Các cấu trúc dị thể ba mảnh ghép này được tích hợp trong thiết bị phát laser và kết quả cho thấy, chùm sáng với ba màu đỏ (red), xanh lá cây (green) và xanh da trời (blue) được phát theo cơ chế phát laser từ cấu trúc nano dị thể, và ba màu sắc này được tích hợp để tạo ra chùm sáng màu trắng với tính kết hợp cao của laser (chùm sáng song song, cường độ lớn,..).

Kết quả phát laser trong cấu trúc nano dị thể: (A) Sơ đồ hệ phát laser với (a) hệ bơm một tia, và (b) bơm 3 tia; (B) Kết quả phát sáng laser với ba màu đơn và ba màu ghép thành màu trắng. Ảnh từ Nature Nanotechnology.
Kết quả phát laser trong cấu trúc nano dị thể: (A) Sơ đồ hệ phát laser với (a) hệ bơm một tia, và (b) bơm 3 tia; (B) Kết quả phát sáng laser với ba màu đơn và ba màu ghép thành màu trắng. Ảnh từ Nature Nanotechnology.

Đây là kết quả quan trọng của đề tài nghiên cứu được tài trợ bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ thông qua một đề tài 6 năm, và nhóm nghiên cứu đã bị nghẽn suốt 2 năm khi phát triển phần vật liệu phát ra laser màu xanh da trời – thành phần ánh sáng quan trọng để có thể tạo thành ánh sáng trắng. Một vấn đề quan trọng trong việc phát triển vật liệu là sự sai khác đáng kể về hằng số mạng giữa các phần trong cấu trúc dị thể đa mảnh, và điều này có thể khiến cho việc điều khiển màu sắc ánh sáng laser trở nên rất khó khăn. Thành tựu nghiên cứu này đã được đăng ký phát minh sáng chế và hiện tại nhóm nghiên cứu bắt đầu bắt tay xây dựng prototype đầu tiên với mục tiêu thương mại hóa sản phẩm này. Toàn văn bài viết có thể đọc tại đây.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s