Un groupe de recherche dirigé par le lauréat du prix Nobel 2014 Hiroshi Amano de l’Institut des matériaux et des systèmes pour la durabilité (IMaSS) de l’Université de Nagoya dans le centre du Japon, en collaboration avec Asahi Kasei Corporation, a mené avec succès le premier laser à onde continue à température ambiante d’une profonde – Diode laser ultraviolette (longueurs d’onde jusqu’à la région UV-C).
Ces résultats, publiés dans Lettres de physique appliquéereprésentent une étape vers l’utilisation généralisée d’une technologie avec un potentiel pour un large éventail d’applications, y compris la stérilisation et la médecine.
Depuis leur introduction dans les années 1960, et après des décennies de recherche et développement, la commercialisation réussie des diodes laser (LD) a finalement été réalisée pour un certain nombre d’applications avec des longueurs d’onde allant de l’infrarouge au bleu-violet. Des exemples de cette technologie incluent des dispositifs de communication optique avec des LD infrarouges et des disques Blu-ray utilisant des LD bleu-violet.
Cependant, malgré les efforts de groupes de recherche du monde entier, personne n’a pu développer de DL ultraviolets profonds. Une percée clé n’a eu lieu qu’après 2007 avec l’émergence de la technologie de fabrication de substrats en nitrure d’aluminium (AlN), un matériau idéal pour la croissance d’un film de nitrure d’aluminium et de gallium (AlGaN) pour les dispositifs émettant de la lumière UV.
Démonstration du laser à onde continue à température ambiante. Crédit : 2022 Asahi Kasei Corp. et Université de Nagoya
À partir de 2017, le groupe de recherche du professeur Amano, en coopération avec Asahi Kasei, la société qui a fourni des substrats AlN de 2 pouces, a commencé à développer un LD ultraviolet profond. Au début, une injection suffisante de courant dans l’appareil était trop difficile, empêchant le développement ultérieur des diodes laser UV-C.
Mais en 2019, le groupe de recherche a résolu avec succès ce problème en utilisant une technique de dopage induite par la polarisation. Pour la première fois, ils ont produit un LD ultraviolet-visible (UV-C) à courte longueur d’onde qui fonctionne avec de courtes impulsions de courant. Cependant, la puissance d’entrée requise pour ces impulsions de courant était de 5,2 W. C’était trop élevé pour le laser à onde continue car la puissance entraînerait un réchauffement rapide de la diode et l’arrêt du laser.
Mais maintenant, des chercheurs de l’Université de Nagoya et d’Asahi Kasei ont remodelé la structure de l’appareil lui-même, réduisant la puissance d’entraînement nécessaire pour que le laser fonctionne à seulement 1,1 W à température ambiante. Il a été constaté que les dispositifs antérieurs nécessitaient des niveaux élevés de puissance de fonctionnement en raison de l’incapacité de chemins de courant efficaces en raison de défauts cristallins qui se produisent au niveau de la bande laser. Mais dans cette étude, les chercheurs ont découvert que la forte déformation cristalline crée ces défauts.
En adaptant intelligemment les parois latérales de la bande laser, ils ont supprimé les défauts, obtenant un flux de courant efficace vers la région active de la diode laser et réduisant la puissance de fonctionnement.
La plate-forme de coopération industrie-université de l’Université de Nagoya, appelée Centre de recherche intégrée sur l’électronique du futur, installations d’électronique transformatrice (C-TEF), a rendu possible le développement de la nouvelle technologie laser UV. Dans le cadre des C-TEF, les chercheurs de partenaires tels qu’Asahi Kasei partagent l’accès à des installations de pointe sur le campus de l’Université de Nagoya, leur fournissant les personnes et les outils nécessaires pour construire des dispositifs reproductibles de haute qualité.
Zhang Ziyi, un représentant de l’équipe de recherche, était dans sa deuxième année à Asahi Kasei lorsqu’il s’est impliqué dans la création du projet. « Je voulais faire quelque chose de nouveau », a-t-il déclaré dans une interview. « À l’époque, tout le monde supposait que la diode laser à ultraviolet profond était une impossibilité, mais le professeur Amano m’a dit : » Nous avons atteint le laser bleu, le moment est venu pour l’ultraviolet « . »
Cette recherche est une étape importante dans l’application pratique et le développement des lasers à semi-conducteurs dans toutes les gammes de longueurs d’onde. À l’avenir, les LD UV-C pourraient être appliquées aux soins de santé, à la détection de virus, à la mesure des particules, à l’analyse des gaz et au traitement laser haute définition.
« Son application à la technologie de stérilisation pourrait être révolutionnaire », a déclaré Zhang. « Contrairement aux méthodes de stérilisation LED actuelles, qui sont peu efficaces en termes de temps, les lasers peuvent désinfecter de grandes surfaces en peu de temps et sur de longues distances ». Cette technologie pourrait particulièrement profiter aux chirurgiens et aux infirmières qui ont besoin de salles d’opération stérilisées et d’eau du robinet.
Les bons résultats ont été rapportés dans deux articles Lettres de physique appliquée.
Plus d’information:
Hiroshi Amano et al, Contrôle des contraintes locales pour supprimer la génération de dislocations pour les diodes laser AlGaN UV-C à croissance pseudomorphique, Lettres de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0124512
Hiroshi Amano et al, Caractéristiques clés dépendant de la température de la diode laser UV-C à base d’AlGaN et démonstration du laser à onde continue à température ambiante, Lettres de physique appliquée (2022). DOI : 10.1063/5.0124480