Desenvolupen Làsers Rendibles per a Aplicacions en el SWIR Estès
Un estudi pioner publicat a Advanced Materials presenta un avenç significatiu en la tecnologia làser, prometent solucions més assequibles i escalables per a aplicacions que van des del monitoratge ambiental fins a la imatge biomèdica. Els investigadors han desenvolupat el primer làser basat en punts quàntics col·loïdals (CQD, per les seves sigles en anglès) capaç d’operar en tot l’espectre estès de l’infraroig d’ona curta (SWIR, per les seves sigles en anglès).
Les tecnologies làser actuals que operen en el rang espectral estès del SWIR depenen de materials costosos i complexos, cosa que limita la seva escalabilitat i assequibilitat. Per abordar aquests desafiaments, investigadors de l’ICFO, liderats pel Prof. ICREA Gerasimos Konstantatos, entre ells el Dr. Guy L. Withworth, la Dra. Carmelita Roda, la Dra. Mariona Dalmases, el Dr. Nima Taghipour, en Miguel Dosil, la Dra. Katerina Nikolaidou i en Hamed Dehghanpour, han presentat un enfocament innovador basat en punts quàntics col·loïdals en un article publicat a Advanced Materials. L’equip ha aconseguit emetre llum coherent (una condició necessària per crear làsers) en el rang estès del SWIR utilitzant grans punts quàntics col·loïdals fets de sulfur de plom (PbS).
Aquesta nova tecnologia basada en CQDs ofereix una solució als reptes esmentats, mantenint al mateix temps la compatibilitat amb les plataformes CMOS de silici (la tecnologia utilitzada per construir circuits integrats) necessària per a la integració en xip.
Els seus punts quàntics col·loïdals de PbS són el primer material semiconductor per a làsers que cobreix un rang de longituds d’ona tan ampli. Sorprenentment, els investigadors ho han aconseguit sense haver d’alterar la composició química dels punts. Aquests resultats obren el camí cap al desenvolupament de làsers compactes i pràctics basats en punts quàntics col·loïdals. A més, l’equip ha demostrat l’emissió làser –per primera vegada en punts quàntics de PbS– a partir d’una excitació de nanosegons, eliminant la necessitat d’utilitzar amplificadors làser voluminosos i costosos de femtosegons. Això s’ha aconseguit emprant punts quàntics més grans, cosa que ha augmentat deu vegades la secció transversal d’absorció dels punts. Alhora, això ha reduït significativament el llindar de guany òptic, el punt a partir del qual l’emissió de llum làser es converteix en un procés eficient.
La capacitat de produir làsers infrarojos de baix cost i escalables en el rang estès del SWIR resol colls d’ampolla crítics en diverses tecnologies. Aquesta innovació té un potencial transformador per a aplicacions com la detecció de gasos perillosos, sistemes LIDAR segurs per als ulls, circuits fotònics integrats avançats i l’obtenció d’imatges dins de la finestra biològica del SWIR. Les indústries que depenen de sistemes LIDAR, sensors de gas i biomedicina podrien beneficiar-se enormement d’aquesta solució rendible i integrable. A més, aquest avanç dóna suport a la transició cap a circuits fotònics integrats compatibles amb el silici, permetent una major miniaturització i adopció generalitzada.
"El nostre treball representa un canvi de paradigma en la tecnologia làser infraroja", va dir el professor ICREA Gerasimos Konstantatos. "Per primera vegada, hem aconseguit l’emissió làser en el rang estès del SWIR amb materials processats en solució a temperatura ambient, obrint el camí cap a aplicacions pràctiques i el desenvolupament de tecnologies més accessibles".
Referència:
L. Whitworth, C. Roda, M. Dalmases, N. Taghipour, M. Dosil, K. Nikolaidou, H. Dehghanpour, G. Konstantatos, Extended Short-Wave Infrared Colloidal Quantum Dot Lasers with Nanosecond Excitation. Adv. Mater. 2024, 2410207.
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202410207
Acknowledgements:
The authors acknowledge financial support from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement no. 101002306), the Ministerio de Ciencia e Innovacion under grant agreement PID2020-112591RB-I00, and project PDC2023-145903-I00 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by the European Union “NextGenerationEU”/PRTR. This work was partially funded by CEX2019-000910-S [MCIN/ AEI/10.13039/501100011033], Fundació Cellex, Fundació Mir-Puig, and Generalitat de Catalunya through CERCA. C.R. acknowledges MCIU (Ministerio de Ciencia Innovacion y Universidades)/AEI(Agencia Estatal de Investigacion)/10.13039/501100011033 and European Union “NextGenerationEU”/PRTR under the Juan de La Cierva fellowship JDC2022-049722-I.