Tutkijat onnistuivat kehittämään uudenlaisen laserin energiatehokkaammalla liuosmenetelmällä

Turun yliopiston orgaanisen optoelektroniikan tutkimusryhmä (Luminous Materials and Devices) onnistui kehittämään kiinteän olomuodon orgaanisen mikrokaviteettilaserin, joka on ensimmäistä kertaa valmistettu kokonaan liuosprosessointimenetelmillä. Laitteen toiminta perustuu vahvaan valon ja aineen väliseen vuorovaikutukseen, jonka seurauksena valo ja aine muodostavat polaritoneiksi kutsuttuja hybriditiloja.

Kiinteän olomuodon lasereita hyödynnetään monissa nykyaikaisissa teknologioissa, kuten tietoliikenteessä, sensoreissa, lääketieteellisessä diagnostiikassa ja tiedon tallennuksessa. Niiden valmistus edellyttää kuitenkin usein monimutkaisia ja paljon energiaa kuluttavia menetelmiä. 

Nyt tehty tutkimus osoittaa, että orgaanisia laserlaitteita voidaan valmistaa huomattavasti aiempaa yksinkertaisemmin: jokainen laitteen kerros voidaan valmistaa nestemäisestä liuoksesta sen sijaan, että kerrokset valmistettaisiin kalliimmalla laitteistolla käyttäen tyhjiöpinnoitusmenetelmiä. 

– Keskeinen tuloksemme on, että pystymme valmistamaan kokonaisen kiinteän olomuodon mikrokaviteettilaserin pelkästään liuosprosessoinnilla. Tämä on merkittävää, sillä se osoittaa, että laser voidaan valmistaa yksinkertaisella ja helposti skaalautuvalla menetelmällä ja samalla saavuttaa edistyneessä lasertutkimuksessa vaadittava korkea optinen laatu, kertoo Turun yliopiston apulaisprofessori Konstantinos Daskalakis.

Uudessa laitteessa sekä valoa vangitsevat peilit että orgaaninen valoa emittoiva kerros valmistettiin ns. spin coating -menetelmällä eli linkouspinnoituksella. Peilit muodostavat optisen mikrokaviteetin, jonka korkea laatu mahdollisti tutkijoille pääsyn valon ja aineen välisen vahvan vuorovaikutuksen alueelle. Tällöin valo ja molekyylit ikään kuin sekoittuvat keskenään muodostaen polaritoneiksi kutsuttuja hybriditiloja, jotka perivät sekä valon että aineen hyödylliset ominaisuudet.

Polaritonien ansiosta laite voi toimia polaritonilaserina. Yksinkertaistettuna tämä tarkoittaa, että laserlähteen säteily syntyy valon ja aineen yhteisestä kollektiivisesta käyttäytymisestä eikä pelkästään valosta.

– Erityisen kiinnostavaa on se, että emme ainoastaan valmista yksinkertaista liuosprosessoinnilla tuotettua rakennetta, vaan saamme aikaan myös toimivan kiinteän olomuodon polaritonilaserin. Tämä tarjoaa tutkijoille huomattavasti saavutettavamman tavan kehittää ja tutkia tällaisia laitteita, sanoo tutkijatohtori Hassan Ali Qureshi.

Turun yliopiston tutkijoiden tekemässä tutkimuksessa havaittiin myös poikkeuksellinen ilmiö, kun laseria ajettiin voimakkaalla teholla. Sen sijaan, että valo olisi säteillyt vain viritetyn alueen keskeltä, se jakautui ulospäin ja muodosti renkaan kaltaisen kuvion. Ilmiö oli palautuva prosessi, jota voitiin hallita muuttamalla mikrokaviteetin optista rakennetta.

– Tämä oli meille erittäin kiinnostavaa, sillä pystyimme näkemään polaritonien välisten vuorovaikutusten seuraukset näkyvänä, makroskooppisena muutoksena niiden emittoimassa valossa. Säätämällä mikrokaviteettia voimme hallita tämän jakautumisen voimakkuutta. Tämä tarjoaa meille käytännöllisen keinon tutkia polaritonien epälineaarista käyttäytymistä, kertoo erikoistutkija Henri Lyyra.

Tutkijoiden mukaan uusi menetelmä on merkittävä askel alan tutkimukselle, yksinkertaisempi ja edullisempi valmistustapa voi tehdä orgaanisten lasereiden ja polaritonien tutkimuksesta nykyistä helpommin saavutettavaa tutkimusryhmille ympäri maailman. Pidemmällä aikavälillä menetelmä voi tukea edullisten ja ympäristöystävällisempien valaisimien, sensorien ja muiden fotonisten laitteiden kehittämistä sekä edistää sellaisten tulevaisuuden orgaanisten lasereiden kehitystä, joita voidaan ajaa sähköisesti.

Tutkimus toteutettiin Turun yliopiston kone- ja materiaalitekniikan laitoksella yhteistyössä Itä-Suomen yliopiston kanssa.

Tietolaatikko

• Polaritoni: valon ja aineen vahvan vuorovaikutuksen seurauksena syntyvä hybridihuikkanen, jolla on sekä valon että aineen hyödylliset ominaisuudet.
• Polaritonilaser: perinteiseen laseriin verrattuna polaritonilaseria etuna on, että sitä voidaan käyttää pienemmällä teholla, se vaatii vähemmän tilaa ja kytkeytyy päälle ja pois ultranopeasti. Näistä ominaisuuksista on hyötyä tulevaisuuden optisessa laskennassa ja tiedonsiirrossa.
• Liuosprosessointi: Menetelmä, jossa nesteisiin liuotetuista materiaaleista valmistetaan päällekkäin ohuita kerroksia, jotka ovat kymmenien nanometrien paksuisia – vain tuhannesosan hiuksen paksuudesta. Tämä ohutkalvorakenne muodostaa mikrokaviteetin, jossa polaritonit syntyvät. Yleisesti käytettyihin valmistusmenetelmiin verrattuna se toimii yksinkertaisemmalla ja edullisemmalla laitteistolla ja kuluttaa vähemmän energiaa.

Tutkimuksen tulokset on julkaistu Nature Communications -tiedelehdessä: 

Lue alkuperäinen tutkimusartikkeli