Państwo niebieskie

Czerwony laser panował dotychczas niepodzielnie. Pojawił się w 1983 roku w standardzie CD, a 13 lat później do sprzedaży trafiły pierwsze urządzenia DVD. Teraz jednak nadchodzi czas niebieskiego króla.

Czerwony laser panował dotychczas niepodzielnie. Pojawił się w 1983 roku w standardzie CD, a 13 lat później do sprzedaży trafiły pierwsze urządzenia DVD. Teraz jednak nadchodzi czas niebieskiego króla.

Trudno dziś sobie wyobrazić życie bez napędów optycznych - odtwarzaczy i nagrywarek CD oraz DVD. Lecz mimo niesłychanej popularności w urządzeniach elektroniki masowego użytku czerwony laser powoli odchodzi do lamusa. Postęp technologiczny jest nieubłagany: coś, co kilka lat temu wydawało się skrojone na wyrost, dziś zaczyna uwierać.

Płyta CD uchodziła za niesamowicie pojemny nośnik danych i muzyki. Ale z czasem potrzeby archiwizacji przerosły możliwości kompaktów, zaś "krystalicznie czysty i wierny" dźwięk zapisany na krążku okazał się niecałkiem idealny. Zbawieniem miało być DVD, w którym zastosowanie wiązki światła laserowego o krótszej fali pozwoliło na gęstsze upakowanie informacji, dając w efekcie pojemność przynajmniej siedmiokrotnie większą niż w CD. To zaś wystarczało do osiągnięcia podstawowego celu, jakim była dystrybucja filmów. Tak jak siłę napędową CD stanowiła muzyka nieporównywalnie lepsza niż na kasecie MC, tak podstawą DVD stało się wysokiej jakości wideo, przy której obraz z VHS wyglądał jak obraz impresjonisty.

Minęło kilka lat i stajemy u progu kolejnej zmiany warty. Tym razem za sprawą magicznego niebieskiego lasera, dzięki któremu na tradycyjnym krążku o średnicy 12 cm zmieści się co najmniej pięciokrotnie więcej danych niż w formacie DVD.

Światło niebieskie (a właściwie fioletowe) emitowane przez laser półprzewodnikowy jest wyjątkowe z bardzo prostego powodu: ma najmniejszą długość fali z całego pasma widzialnego. Czerwony laser stosowany w technologii CD operuje wiązką o długości 780 nm, a w DVD - 650 nm. Tymczasem laser niebieski pozwala na użycie wiązki o długości fali ok. 400 nm, czyli węższej od czerwonej z DVD o ponad 40 procent. Nietrudno więc wyobrazić sobie napędy optyczne, w których podstawą jest światło niebieskie, a przez to dane na nośniku mogą być umieszczone jeszcze ściślej. Pojemność jednowarstwowej płyty wzrosłaby wówczas do dziesiątków GB.

Czemu w DVD od razu nie zastosowano niebieskiego lasera? Odpowiedź jest banalna: pierwszy laser półprzewodnikowy emitujący niebieskie światło powstał w laboratorium w chwili, gdy pierwsze urządzenia DVD wchodziły na rynek.

Polski niebieski

Sercem modułu laserowego jest kostka laserowa - miniaturowy element o rozmiarach 0,5x0,3 mm (na zdjęciu jeszcze przed rozdzieleniem na pojedyncze egzemplarze).

Sercem modułu laserowego jest kostka laserowa - miniaturowy element o rozmiarach 0,5x0,3 mm (na zdjęciu jeszcze przed rozdzieleniem na pojedyncze egzemplarze).

Pisząc o niebieskim laserze półprzewodnikowym, nie sposób nie wspomnieć o spektakularnym sukcesie polskiej nauki w opracowaniu tego elementu optoelektronicznego. W wyścigu z wieloma ośrodkami badawczymi na całym świecie to właśnie zespołowi profesora Sylwestra Porowskiego z Centrum Badań Wysokociśnieniowych PAN "Unipress" pierwszemu udało się zbudować niebieski laser bez defektów strukturalnych, otwierając drogę do niebieskich laserów wysokiej mocy. A wszystko za sprawą niepozornych, przezroczystych kryształów, których do niedawna nie umiał wyhodować nikt poza Polakami.

Prace nad skonstruowaniem niebieskiego lasera półprzewodnikowego rozpoczęły się w laboratoriach już w latach 60. Od początku wiedziano, że najlepszym materiałem bazowym odpowiedzialnym za emisję fali o długości światła niebieskiego będzie azotek galu (GaN). Jednak okazał się wyjątkowo niewdzięcznym surowcem, ponieważ wyhodowanie kryształu o idealnej strukturze niezbędnej do prawidłowego działania lasera stanowiło trudność, której przez lata nie udawało się pokonać.

Azotek galu nie występuje w przyrodzie, a jego synteza jest niesłychanie trudna, ponieważ wymaga wysokiej temperatury i olbrzymich ciśnień. Nie mogąc uzyskać GaN o odpowiedniej strukturze krystalograficznej, część laboratoriów w latach 70. przestawiła się na badania selenku cynku, innego związku o zbliżonych do GaN właściwościach, lecz niższej gęstości dyslokacji (liczby defektów na jednostkę objętości kryształu), a w większości pozostałych ośrodków prace nad niebieskim laserem całkowicie zarzucono.

Tymczasem badania nad syntezą azotku galu zapoczątkowane w "Unipressie" w latach 80. przez prof. Sylwestra Porowskiego, a kontynuowane przez dr Izabellę Grzegory, zaczęły przynosić efekty w postaci pierwszych monokryształów związku. To zachęciło polskich naukowców do pracy nad skonstruowaniem lasera. Lecz od podłoża z GaN do lasera była jeszcze daleka droga. W jej pokonaniu pośrednio pomogli... Japończycy.

Tropem kwitnącej wiśni

Porównanie grubości nośników w zależności od użytego lasera. Na zdjęciach mikroskopowe powiększenie nośnika i plamki lasera. l = długość fali, NA = apertura numeryczna. Żródło: Philips.

Porównanie grubości nośników w zależności od użytego lasera. Na zdjęciach mikroskopowe powiększenie nośnika i plamki lasera. l = długość fali, NA = apertura numeryczna. Żródło: Philips.

Japońskie ośrodki badawcze także prowadziły intensywne prace nad niebieskim laserem półprzewodnikowym, ale i tam nie opanowano technologii wytwarzania kryształów azotku galu. Jednak japońskim naukowcom udało się rozwiązać inne problemy, z którymi borykali się konkurenci, w tym zespół "Unipressu". W 1989 roku skonstruowali pierwsze działające złącze p-n oparte na GaN, czyli diodę bipolarną (bez niej nie ma mowy o wydajnej emisji światła przez diodę świecącą). Idąc śladami Japończyków, polscy naukowcy niedługo później zbudowali na swoich kryształach podobne złącze p-n.

Kolejne sukcesy dalekowschodni inżynierowie odnieśli w połowie lat 90. Pod koniec 1993 roku profesor Shuji Nakamura z firmy Nichia zbudował niebieską diodę LED GaN do zastosowań komercyjnych, a trzy lata później pierwszy niebieski laser oparty na azotku galu. Lecz technologia wykorzystana przez Nakamurę, choć pionierska i rewolucyjna, była z założenia gorsza od podejścia faworyzowanego przez polskich naukowców: podłoże lasera stanowił nie kryształ azotku galu, lecz łatwiejszego do pozyskania szafiru. Dopiero na to podłoże nakładano GaN jako półprzewodnik odpowiedzialny za emisję światła oraz inne warstwy związków chemicznych tworzących laser.

Dlaczego Nakamura użył szafiru? Otóż ma on strukturę podobną do GaN, więc wydawał się najlepszą alternatywą kryształu azotku galu w patowej sytuacji. Nie jest to jednak struktura identyczna (różnica odległości między atomami w obu związkach sięga 16 procent) i dlatego warstwy GaN nie można idealnie dopasować do szafirowego podłoża. Atomy obu warstw są wówczas nieznacznie przesunięte względem siebie, co w rezultacie powoduje powstawanie defektów (dyslokacji) w następnych warstwach półprzewodnika. Kryształ azotku galu wyhodowany na szafirze nie ma więc doskonałej struktury, a to bezpośrednio przekłada się na jakość lasera.

Lepszy niż japoński

Porównanie formatów czerwonego i niebieskiego lasera

Porównanie formatów czerwonego i niebieskiego lasera

Pierwszy niebieski laser Nakamury świecił pulsami, miał niewielką moc i krótką żywotność, co wynikało z wad szafirowej technologii. Z czasem Japończycy coraz lepiej radzili sobie ze zmniejszaniem gęstości dyslokacji i uzyskiwali coraz lepsze parametry, ale ich laserom nadal było daleko do jakości, którą zapewniałaby technologia oparta na czystym azotku galu. Nakamura przekonał się o tym, gdy zbudował laser na krysztale GaN otrzymanym od Polaków. Czas pracy tego lasera był ponad dziesieciokrotnie dłuższy niż najlepszych laserów robionych na szafirze. Nasi naukowcy uzyskali wówczas pewność, że ich koncepcja ma naprawdę świetlaną przyszłość.

Sama technologia produkcji kryształów azotku galu w "Unipressie" nie wystarczała, żeby skonstruować laser, choć był to najtrudniejszy do pokonania i jednocześnie najważniejszy etap produkcji. W końcu tylko tutaj udało się pod ciśnieniem 15-20 tys. atmosfer zmusić azot do wniknięcia w roztopiony gal o temperaturze ok. 1600 stopni Celsjusza, uzyskując w ten sposób kryształ GaN o doskonałej strukturze (gęstość dyslokacji w cm3 wynosiła 102, a nie 1010, jak u Nakamury). Lecz produkt owej syntezy, mierzący nie więcej niż 2 cm, przezroczysty kryształ o kształcie heksagonalnej płytki, trzeba poddać dalszej obróbce: nanieść warstwy innych związków chemicznych - półprzewodników, metali i izolatorów - które sterują przepływem prądu i światła, tworząc właściwy laser.


Zobacz również