Появившиеся 55 лет назад лазеры генерируют свет, обладающий рядом важных свойств: монохромность, однонаправленность и когерентность, благодаря чему они применяются в самых различных задачах. Но одна из характеристик лазеров мешала распространению этих устройств в быту: не удавалось создать лазерный источник, который светится белым цветом. Задачу удалось решить исследователям Университета штата Аризона. Они продемонстрировали работающий прототип лазера, способного излучать луч любого цвета видимого диапазона.
Строго говоря, лазер по определению не может излучать «белый свет», который, как мы помним из школьного курса физики, состоит «из смеси всех цветов радуги». «Концепция белых лазеров на первый взгляд противоречит здравому смыслу, потому что свет от типичного лазера содержит ровно один цвет, определённую длину волны электромагнитного спектра, а не широкий спектр разных длин волн. Белый свет, как правило, рассматривается как смеси всех длин волн видимого спектра», — сказал Цунь-Чжэн Нин (Cun-Zheng Ning), руководитель группы исследователей, который ранее в течение нескольких лет проводил исследование в университете Цинхуа в Китае.
Исследовательская группа под руководством Цунь-Чжэн Нина создала особый нанолист — тонкий слой полупроводника размером примерно 10 мкм и толщиной около 50 нм. Он состоит из трёх параллельных сегментов, каждый из которых поддерживает работу лазера на длине волны, соответствующей одному из трёх базовых цветов. Управляя интенсивностью каждого из базовых цветов, можно добиться любого цвета видимого диапазона, а сложив все три в равной пропорции, получить белый цвет.
Тем самым лазеры получают шанс потеснить светодиоды в роли повсеместно применяемого источника света. Лазеры ярче, эффективнее и теоретически могут обеспечивать более точные и яркие цвета для экранов компьютеров и телевизоров. Группа Нина уже показала, что созданный ею полноцветный лазерный источник света может иметь на 70% больший цветовой охват, чем типичные современные дисплеи.
«Основная задача, — отметили исследователи, — лежит на пути создания светоизлучающих полупроводниковых материалов, способных излучать свет разных цветов. Обычно полупроводниковый лазер излучает свет одного цвета — синий, зелёный или красный, — который определён уникальным строением атома и энергетической запрещённой зоной».
«Постоянная решётки» представляет собой расстояние между атомами. Для получения всех возможных длин волн в видимом спектре приходится использовать несколько полупроводниковых кристаллов с разные постоянными решётки и энергетической запрещённой зоной.
«Наша цель заключается в создании одного полупроводникового кристалла, способного излучать в трёх основных цветах генерации. Кристалл должен быть достаточно мал, чтобы люди могли воспринимать только один общий смешанный цвет, вместо трёх отдельных цветов», — сказал Фань Фань, докторант профессора Нина.
Благодаря разработанной исследователями стратегии разделения структурных форм и состава удалось, наконец, вырастить единую структуру, содержащую три сегмента различных полупроводников, испускающих все необходимые цвета.
Одной из важнейших областей применения лазерных источников, испускающих белый цвет, может стать беспроводная коммуникация, совмещённая с освещением. Источник света в помещении может выполнять функцию передатчика информации. Технология Li-Fi в настоящее время находится в разработке. При использовании светодиодов она может оказаться более чем в 10 раз быстрее по сравнению с современным Wi-Fi, а Li-Fi на основе лазеров может быть ещё от 10 до 100 раз быстрее.
Ранее уже были созданы лазерные источники света белого цвета. Они использовали тот же принцип, что и в белых светодиодах: часть излучения синего цвета попадает на фосфоресцирующий материал, который, в свою очередь, излучает жёлтый свет. Сложение двух лучей даёт видимость чистого белого цвета.