Pirmojo pasaulyje GaAsBi pagrindu sukurto VECSEL lazerio autorius A. Zelioli – naujasis gamtos mokslų daktaras

FTMC turi dar vieną talentingą gamtos mokslų daktarą! Spalio 6 d. juo tapo Optoelektronikos skyriaus fizikas Andrea Zelioli, apgynęs disertaciją „A₃B₅ kvantinių darinių formavimas ir tyrimas VECSEL tipo lazeriams“ (mokslinė vadovė: dr. Renata Butkutė).

Sveikiname kolegą, tegu tai būna sėkminga puikaus kelio pradžia!

Fiziko disertacija yra apie ypatingą puslaidininkinio lazerio tipą, vadinamą vertikalios išorinės ertmės paviršinės emisijos lazeriu (angl. Vertical-External-Cavity Surface-Emitting Laser, VECSEL). Šie lazeriai įdomūs tuo, kad jie sujungia aukštą spindulio kokybę su galimybe generuoti didelės galios šviesą įvairiuose bangos ilgiuose. Tokie lazeriai jau naudojami ryšių, medicinos ir mokslinių tyrimų srityse, tačiau jų veikimas vis dar labai priklauso nuo medžiagų kokybės.

„Ypač tyrinėjau dvi medžiagas, kurios gali veikti kaip aktyviosios, šviesą generuojančios lazerio dalys: indžio galio arsenidą (InGaAs) ir galio arsenido bismidą (GaAsBi). Abi jos turi savų privalumų ir iššūkių. InGaAs yra gerai ištirta ir plačiai naudojama medžiaga, tačiau kyla sunkumų, kai norima pasiekti ilgesnius bangos ilgius. GaAsBi yra naujesnė medžiaga, pasižyminti tokiomis savybėmis kaip didesnis terminis stabilumas, tačiau ją labai sudėtinga užauginti be defektų.

Todėl pagrindinė mano darbo esmė buvo pagerinti šių medžiagų auginimo būdus ir jų panaudojimą lazerio struktūroje. Optimizavau auginimo sąlygas, tyriau, kaip susidaro defektai ir kaip juos sumažinti, kūriau naujas aktyviojo sluoksnio struktūras bei galiausiai sukūriau ir išbandžiau veikiančius VECSEL tipo lazerius“, – pasakoja Andrea.

(Molekulinių pluoštelių epitaksijos (MBE) įrenginys, kuriame A. Zelioli su kolegomis augina kristalines medžiagas lazeriams. Hernandez & Sorokina / FTMC nuotrauka)

Vienas iš svarbiausių jo darbo rezultatų – parodymas, kad InGaAs kvantinių duobių šviesos emisijos žemėlapiai gali atskleisti, kur tiksliai yra dislokacijos – kristaliniai defektai. Kalbant aiškiau, tai naujas ir gana paprastas metodas medžiagos kokybei įvertinti, labai naudingas lazerių kūrimui. A. Zelioli taip pat rado būdų, kaip sumažinti šiuos defektus, kruopščiai parinkdamas tiriamų medžiagų auginimo sąlygas ir barjerų struktūras – tarpinius sluoksnius, kurie padeda išlaikyti krūvininkus ten, kur kuriama šviesa.

„O tiriant kitą medžiagą, GaAsBi, išanalizavau, kodėl ši medžiaga praranda efektyvumą, ir sukūriau patobulintą modelį, kuris tiksliau aprašo jos elgseną. Tai padėjo nustatyti, kokie procesai riboja GaAsBi veikimą, ir nukreipė jos auginimo optimizavimą. Taip pat suprojektavau ir išbandžiau skirtingas barjerų geometrijas, kurios pagerino krūvininkų (elektronų ir skylių) sulaikymą – dėl to sumažėjo lazerio sužadinimui reikalinga energija ir padidėjo šviesos galia.

Galiausiai, vienas iš svarbiausių mano doktorantūros pasiekimų buvo pirmojo pasaulyje GaAsBi pagrindu sukurto VECSEL lazerio pagaminimas. Šis įrenginys sėkmingai generavo lazerinę šviesą iš didelio apšviesto ploto, be specialaus aušinimo poreikio. Tai svarbus žingsnis į priekį, nes parodė, kad GaAsBi gali būti realiai naudojamas praktiniuose lazeriuose, o ne tik teoriniuose modeliuose“, – džiaugiasi FTMC tyrėjas.

(Canva.com nuotrauka)

Kuo šis darbas galėtų būti įdomus ar naudingas plačiajai visuomenei? Pasak A. Zelioli, lazeriai tapo neatsiejama šiuolaikinio gyvenimo technologija. Jie naudojami ne tik moksliniuose tyrimuose, bet ir medicininėje diagnostikoje ir terapijoje, ryšių tinkluose, pramoniniame pjovime ir apdirbime, netgi pramogų įrenginiuose.

Tobulinimai, prie kurių prisidėjo mokslininkas, gali padėti kurti efektyvesnius, stabilesnius ir paprasčiau gaminamus lazerius, veikiančius įvairiomis spinduliavimo spalvomis artimojo infraraudonojo diapazono srityje, kur yra daug praktinių taikymų.

„Visuomenei tai gali reikšti saugesnę ir patikimesnę medicininę diagnostiką, efektyvesnius interneto ir komunikacijos tinklus. Pavyzdžiui, termiškai stabilesnis ir efektyvesnis lazeris gali leisti kurti mažesnius ir pigesnius nešiojamuosius medicinos prietaisus arba sumažinti šviesolaidinių sistemų eksploatacijos kainą, nes nebereikės brangių aušinimo sistemų.

Be tiesioginių taikymų, šis tyrimas gilina mokslinį supratimą apie naujas puslaidininkines medžiagas, tokias kaip GaAsBi. Šios žinios gali atverti kelią technologijoms, apie kurias šiandien dar net neįsivaizduojame – kaip kad ankstyvieji lazerių tyrimai 1960-aisiais galiausiai atvedė prie daugybės kasdien naudojamų lazerinių įrenginių. Šia prasme, mano darbas prisideda tiek prie dabartinių poreikių, tiek prie būsimų galimybių“, – sako A. Zelioli.

Daktaro disertaciją (anglų k.) galite perskaityti paspaudę šią nuorodą.

FTMC informacija