26 Мая 2019

Высокоэффективный молекулярный излучатель белого света, управляемый лазерным диодом

Опубликовал Н.А. Рыков

В обществе существует постоянное стремление к разработке новых источников света, которые являются одновременно эффективными и экологически безопасными. Нилс Роузман  разработал аморфный материал, который излучает широкополосный (теплый белый) спектр света при возбуждении инфракрасным лазером через нелинейные процессы.  Неорганические нанокристаллы образуют ядро ​​своего материала и покрыты органическими лигандами на поверхности.  При возбуждении инфракрасным светом нелинейные оптические процессы заставляют материал излучать широкополосный белый свет.

Специализированные источники света значительно продвинули  технологический и научный прогресс за счет оптимизации спектра или цвета излучения и характеристик излучения.  Мы демонстрируем эффективный спектрально широкополосный и высоконаправленный излучатель теплого белого света, основанный на нелинейном процессе, управляемом дешевым инфракрасным лазерным диодом непрерывного действия с низкой мощностью.  Нелинейная среда представляет собой специально сконструированный аморфный материал, состоящий из не имеющих симметрии, похожих на диамондоиды кластерных молекул, которые легко получают из вездесущих ресурсов.  Видимая часть спектра напоминает цвет вольфрам-галогенной лампы при 2900 кельвинов, сохраняя при этом превосходящую расходимость луча управляющего лазера.  Такой подход к функционализации энергосберегающих современных полупроводниковых лазеров позволяет использовать технологию, дополняющую светоизлучающие диоды, для замены ламп накаливания белого света в применениях с высокой яркостью.

Влияние управляемого света на нашу повседневную жизнь неизмеримо.  Светодиод (LED) является одним из наиболее заметных достижений со времени изобретения ламп накаливания в конце 1800-х годов.  Последние рассеивают большую часть энергии в инфракрасном диапазоне в виде тепла, тогда как типичные белые светодиоды покрывают только видимый спектр.  Наиболее яркие примеры светодиодов белого света основаны на нитриде галлия.  Их узкополосное ультрафиолетовое (УФ) излучение преобразуется в видимый свет путем применения люминофоров.  Этот холодный свет имеет огромные преимущества в отношении энергоэффективности.  Другие концепции, используемые для эффективной генерации белого света, включают комбинацию красного, зеленого и синего излучателей, что в настоящее время является предпочтительным вариантом для органических светодиодов.  Все типы светодиодов превосходны благодаря своим ламбертовским диаграммам излучения, которые очень желательны для приложений, таких как активные дисплеи, требующие больших углов обзора.  Однако это создает проблемы при целевом освещении и проецировании света из-за большого сопряженного G = AΩ, где A - площадь источника, а Ω - телесный угол излучения.  В идеале, этюд остается постоянным во всей оптической системе, где свет подвергается идеальному отражению или преломлению.  Он может увеличиваться, например, при воздействии на рассеиватель, но не может быть уменьшен без потери яркости.  Это делает источники с низким уровнем распространения чрезвычайно необходимыми для устройств, требующих высокого пространственного разрешения, таких как микроскопы, или для приложений с высокой пропускной способностью, таких как проекционные системы.

Другие концепции генерации белого света монохроматическими источниками, помимо люминофоров, основаны на нелинейных эффектах, которые обеспечивают широкополосный суперконтинуум и широко используются во многих научных приложениях.  Их часто называют блестящими источниками.  Как правило, они имеют небольшие области излучения, подобные точечным источникам, из-за плотно сфокусированных короткоимпульсных движущих лазеров, которые используются для преодоления огромной пиковой напряженности электрического поля, необходимой для вызова нелинейных эффектов, таких как образование солитонов.  Следовательно, связанные с этим проблемы, такие как размер системы, цена и энергопотребление, ограничивают использование источников суперконтинуума для использования в научных лабораториях и в медицинском секторе, например, в когерентном комбинационном рассеянии или оптической когерентной томографии, что касается также приложений обороны и безопасности.

В качестве эксперимента учёные использовали твердое соединение на основе молекул в качестве нелинейной среды. Оно обеспечивает устойчивую работу направленного широкополосного источника белого света с низкой интенсивностью распространения, охватывающего весь видимый спектр, управляемый недорогим инфракрасным лазерным диодом.  Соединение включает кластерные молекулы на основе полупроводников, украшенные ковалентно присоединенными органическими лигандами, которые подают квазидокализованные электроны.  Общая цель состояла в том, чтобы синтезировать аморфное соединение, объединяющее подходящую запрещенную зону неорганического полупроводникового кластера с органическими лигандами, обеспечивающими делокализованные электроны в основном электронном  состоянии молекулы, в то время как оно состоит из компонентов, которые являются вездесущими, таким образом, легко доступны и дешевы.  Мы получили молекулы на основе сульфида олова с адамантаном - диамондоидный каркас [Sn4S6].  Последний свободен от инверсионной симметрии, поскольку имеет тетраэдрическую форму.  Пониженная молекулярная симметрия и делокализация электронных состояний реализуются путем `украшения` ядра со случайно ориентированными органическими лигандами Rdeloc = 4– (CH2 = CH) –C6H4. Стерическое влияние органических лигандов определяет молекулярную структуру ядра кластера и некристаллическую природу соединения.  Оно предотвращает полимеризацию неорганических кластерных фрагментов в бинарное твердое вещество SnS2;  винильные группы в параположении атомов олова также доступны для дальнейшей химической модификации.  Кроме того, они обеспечивают ковалентное прикрепление кластеров к неорганическим материалам.

Соединение [(RdelocSn) 4S6] получали в виде тонкого аморфного порошка.  Его идентичность была подтверждена масс-спектрометрией.  Соединение является нелетучим, устойчивым на воздухе и термически стабильным до 573К. Его молекулярная структура была рационализирована с помощью квантово-химических расчетов с использованием методов теории функционала плотности (DFT).  Соединение сохраняет свои химические и физические характеристики, будучи встроенным в матрицу на основе акриламида.  Излучение лазера с непрерывным излучением (CW) длиной 800нм создает впечатление теплого белого цвета.  Он очень близок к стандартному вольфрам-галогенному источнику света при 2856К для максимальной плавности накачки и меняется с изменением плотности возбуждения.

Рассеянное излучение охватывает весь видимый спектр;  его спектральный вес смещен в сторону более низких энергий по сравнению с характерным белым светодиодом.  Спектральное распределение белого света практически не зависит от длины волны возбуждения в диапазоне от 725 до 1050нм. Это свойство очень желательно для интеграции в лазерно-диодные устройства, ибо оно подразумевает устойчивость к тепловым или связанным с производством изменениям длины волны возбуждающего лазера. Выходная мощность белого света как функция плотности мощности накачки обнаруживает крайнюю нелинейность, которая масштабируется приблизительно до 8 степени. В настоящее время оптимальная эффективность генерации суперконтинуума вблизи порога разрушения определена в диапазоне 10%. Даже на этой ранней стадии и с несовершенным качеством образцов эта эффективность сопоставима с широко используемыми люминофорами.  Образцы показали заметную долговременную стабильность в условиях эксплуатации в течение нескольких месяцев.

Чтобы понять основной механизм генерации белого света, учёные сравнивали спонтанное излучение для УФ-возбуждения с превышением запрещенной зоны с характеристиками белого света. Спонтанное излучение является зеркальным отражением линейного поглощения, как и следует из принципа Франка-Кондона. Спектр белого света смещается в сторону более низких энергий;  только отсечка высокой энергии, по-видимому, ограничена ре-абсорбцией в плотном аморфном молекулярном твердом теле. Кроме того, следует отметить, что спонтанное излучение на несколько порядков меньше яркости, чем белый свет. Энергия фотонов возбуждающего лазера отрегулирована очень далеко от резонанса, и никаких признаков излучения после многофотонного возбуждения не видно. Дальнейшие различия наблюдались для срока действия импульсного возбуждения спонтанного излучения и белого света.  Спонтанное излучение затухает в масштабе времени 100пс, в то время как белый свет практически не демонстрирует динамику времени, что приводит к ограничению срока службы прибора более 10мкс. Длительный срок службы исключает традиционные когерентные процессы в качестве источника широкого спектра, и это подразумевает, что для CW-облучения направленность обусловлена ​​эффектом фазированной решетки, индуцированным электрическим полем управляющего лазера.

Все вышеперечисленные соображения предполагают механизм генерации белого света, при котором лазер ближнего инфракрасного диапазона управляет виртуально делокализованными электронами, поступающими от π-электронных систем органических лигандов.  При непрерывном облучении заряды приводятся в действие электронным потенциалом основного состояния молекулы и переходят в релаксацию за счет радиационной потери энергии, обычно называемой тормозным излучением.  Эти особенности качественно отражены в модели излучения, напоминающей классическое движение электрона, вызванного внешним движущим полем. Потенциал основного состояния аппроксимируется ангармоническим осциллятором с возмущением третьего порядка. Это упрощение оправдывается рассмотренным здесь небольшим энергетическим масштабом ниже 3,5 эВ по сравнению с порогом ионизации основного состояния, рассчитанным в 13,46 эВ. Расчеты показывают доминирующий пик излучения около 2 эВ в видимом, превосходно воспроизводя экспериментальные данные.  Предсказанный расчетами пик излучения в ближней инфракрасной области спектра также наблюдается экспериментально, что подтверждает применимость этой феноменологической модели.

Подход, описанный выше, обеспечивает путь устройству направленного белого света для приложений с низким уровнем распространения света, дополняющим традиционные нелинейные источники или твердотельные излучатели, такие как светодиоды, функционированием недорогого инфракрасного диодного лазера.