Nanotechnologie umožnila vznik prvního bílého laseru na světě  
Polovodičová nanosoučástka ze slitiny zinku, kadmia a selenu vedla k průlomu ve vývoji bílého laseru. Na obzoru je celá řada zajímavých aplikací.

 

Jak funguje bílý laser. Kredit: Arizona State University.
Jak funguje bílý laser. Kredit: Arizona State University.

Už pěkných pár desetiletí jsme obklopeni lasery. Objevují se ve všech možných i skoro nemožných aplikacích. Jedna varianta laserů ale doposud zůstávala pro vývojáře nedosažitelná. Tak trochu překvapivě to byl laser, který by vyzařoval bílý paprsek. V minulosti se už objevily výtvory, které se blížily bílému laseru, zatím nikdy to ale nebylo úplně ono. Nedávno ale došlo k průlomu a badatelé Arizonské státní univerzity přišli s řešením, které jim umožnilo postavit bílý laser. Jejich úspěch zvěčnila publikace v časopisu Nature Nanotechnology.

Cun-Zheng Ning. Kredit: Arizona State University.
Cun-Zheng Ning. Kredit: Arizona State University.


Šéf výzkumu Cun-Zheng Ning a jeho spolupracovníci vytvořili pro tento laser nový typ nanofólie (nanosheet), tenkou vrstvu polovodiče, která na délku měří jako jedna pětina průměru lidského vlasu, a její tloušťka činí tak asi tisícinu průměru lidského vlasu. Polovodičovou součást tvoří tři paralelní segmenty, z nichž každý odpovídá jedné základní barvě. Tento laser může vyzařovat paprsek v jakékoliv barvě viditelného světla, včetně vytouženého bílého světla.

Možnosti nového laseru. Kredit: ASU / Nature Nanotechnology.
Možnosti nového laseru. Kredit: ASU / Nature Nanotechnology.

Ning přiznává, že koncept bílého laseru vypadá na první pohled nesmyslně, protože paprsek typického laseru bývá jednobarevný a představu jednu konkrétní vlnovou délku elektromagnetického spektra. Klasické bílé světlo je naopak směs všech vlnových délek viditelného světla. Klíčovým krokem vývoje bílého laseru bylo vytvoření polovodičové součástky, která by jediná zvládala vyzařování laserového paprsku všech tří základní barev – modré, zelené a červené. Dotyčná součástka navíc musela být dostatečně malá, aby lidský zrak vnímal vyzařovaný paprsek jako bílý a ne jako modrozelenočervený. Ninga a spol. nakonec zachránily nanotechnologie, které jim umožnily vytvořit polovodičovou nanofólii ze slitiny ZnCdSSe, čili zinku, kadmia a selenu.

Arizona State University. Kredit: ASU.
Arizona State University. Kredit: ASU.

K čemu by takový bílý laser mohl být? Lasery se díky překotnému technologickému pokroku postupně stávají mainstreamovým zdrojem světla a nahrazují v této roli diody emitující světlo, čili LEDky. Lasery poskytují jasnější světlo, živější barvy a také efektivněji hospodaří s energií. Ningova výzkumná skupina tvrdí, že její zařízení pokryje o 70 procent více barev, než soudobé standardní displeje.

Další velmi zajímavou aplikací bílých laserů by mohla být komunikace pomocí světla. V současnosti probíhá vývoj technologie Li-Fi, tedy bezdrátové komunikace založené na světle (light-based wireless communication). Pokud vývoj této technologie uspěje, mohla by porazit dnes převládající Wi-Fi, provozovanou na rádiových vlnách. Doposud vyvíjená Li-Fi je založená na LEDkách, a i tak by měla být více než 10krát rychlejší než běžná Wi-Fi komunikace. Kdyby se povedlo vytvořit Li-Fi s využitím bílého laseru, tak by výsledná komunikace mohla být 10krát až 100krát rychlejší, než Li-Fi s LEDkami. 


Literatura
Arizona State University 27. 7. 2015, Nature Nanotechnology online 27. 7. 2015

 

Autor: Stanislav Mihulka
Datum: 03.08.2015
Tisk článku

Laser game -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 2500 Kč
cena: 2225 Kč
Laser game

Související články:

Laser do magnetické paměti s desetinásobnou kapacitou zapisuje dvěstěkrát rychleji     Autor: Dagmar Gregorová (15.02.2012)
Skládáním laserů můžeme zmenšit urychlovače z kilometrů na metry     Autor: Stanislav Mihulka (30.05.2014)
Komerční diodový laser, jaký tu ještě nebyl     Autor: Stanislav Mihulka (01.08.2014)
Laserový truckobijec     Autor: Martin Tůma (14.03.2015)
Vyzrajeme na nemožnost komunikace během návratu do atmosféry?!     Autor: Tomáš Kohout (29.07.2015)
Japonci úspěšně vypálili z nejvýkonnějšího laseru světa     Autor: Stanislav Mihulka (31.07.2015)



Diskuze:

Buy now (článek v přírodním listí) za pouhých 30 E''

Josef Hrncirik,2015-08-10 17:55:50

nebo to hledej v supplementary information či v miniaturních obrázcích zdarma a zjistíš, že proměřovali schopnost vzniku R,G,B laserových světel ve 3 paralelních mikrostrukturách podobného leč různého složení Zn, Cd, S, Se. R, G, B světla ve vrstvách byla buzena příčným prosvěcováním složitou optikou pumping systemu světlem pumpovacího laseru 405 nm s energetickou účinností tvorby RGB 1-3%.
Buzení makrooptikou s polopropustnými zrcadly, nikoliv jen z přisedlé polovodičové vrstvy! (jak by si mohli myslet naivní optimisté).
No a potom mohli směle tvrdit, že připravili poměrně monochromatická, dokonce laserová světla mající teoreticky až o 70% lepší chromatičnost než poskytují běžné "iluminanty".
Takže žádný informaci prakticky zobrazující či komunikující prvek, ale řekněme UV fosfory v rezonujících strukturách. Energetika + svítivost + ovládání + frekvence + životnost + miniaturizace + ekonomika + ? je kde ?
Teorie světla dá až cca 530 lm světla/el. W příkonu. Stávající LED prý momentálně sahají až po 36% teorie. Problém je širší spektrum a nižší účinnost hlavně G.
Situace se má zlepšit tvorbou světla v laserovém režimu a přípravou spektrálně užších a účinnějších fosforů.
Je mi toho zapotřebí?
To jsem si měl přečíst v článku či diskuzi.

Odpovědět

Jaký asi lze čekat útlum po projítí cca 128 interferenčními filtry?

Josef Hrncirik,2015-08-05 21:11:31

abych separoval původní kanály.
Je to vůbec nutné, když mám spolehlivé taktovací hodiny?
Lze čítat dlouhodobě jednotlivé vlny ve světle laseru a ev. reklamovat na lampárně mezery?

Odpovědět

rychlosti a spolehlivosti fotoniky?

Josef Hrncirik,2015-08-04 21:46:28

ani fotony ve svělovodu se nepohybují rychlostí světla ale cca 1,4 pomaleji kvůli indexu lomu, tj. řekněme cca jako pole (impulz) ve dvoulince.
Navíc stejně generujeme fotony pomalu až z impulzů elektronů.
Detekujeme je stejně až po pomalé interakci vyvolávající elektronové impulzy.
Proč tedy výkřiky jedině s fotony nejrychleji?
Jsou už schopni provádět logické interakce s 2 proudy fotonů alespoň po pulzech nebo dokonce jednotlivě, nebo vždy musí být elektronový meziprodukt?
Je možno zaznamenat výsledek logické interakce 2 fotonů do paměti při frekvenci fotonického toku?

Odpovědět


Re: rychlosti a spolehlivosti fotoniky?

Petr Nejedlý,2015-08-05 02:16:49

Pokud to dobře chápu, pointa fotoniky zatím nespočívá v optických výpočtech nebo komunikaci na čipu, ale v nabízené energetické efektivitě přenosu informací mezi čipy, např. mezi CPU a RAM.
Ono se nám do té mědi nedaří příliš strkat digitální signály v oblasti GHz, obzvláště ne pokud jich má běžet synchronně 128 vedle sebe a to několik centimetrů po základní desce s netriviální kapacitou každého vodiče (proti zemi a sousedním vodičům).
A přestože se už dlouho paměťové sběrnice trochu impedančně přizpůsobují, nedá se zrovna udělat 128 stejných vlnododů s couplery na obou stranách a zpožďovacími linkami na dorovnání rozdílů.
Třeba v současných telefonech tvoří spotřeba samotného propojení CPU a paměti dobře 15-30% aktivní spotřeby, a to i přesto, že se rozhranní na spotřebu optimalizují a paměti se pájí přímo na CPU (POP - package on package).

Už od té doby, co jsem ve vitrínce se sklepě ČVUT FEL viděl mikrofotografii optické výhybky na čipu (cca. 1998) mi vrtalo hlavou, proč by se vlastně za použití WDM (wavelength dense multiplexing) a náležitě rychlé modulace (dnes se běžně používá >20GHz) nedala využít pro paměťovou sběrnici. Z CPU by místo stovek signálů vedlo pár optických vláken. Chyběl snadno integrovatelný optický zdroj (kterých bych tam potřeboval desítky, pár nm vlnové délky od sebe).

Ale to jsme od původního článku poněkud uhnuli. Tak tedy k té jistotě desetinásobku, ehm, teda 70% víc barev - u zobrazovacích zařízení a technologií se operuje s pokrytím barevného prostoru - barevným gamutem (https://cs.wikipedia.org/wiki/Gamut). Některá zařízení poskytují věrnější barvy - mají širší gamut.
Jestli se třemi nanolasery dosáhnou o 70% vyššího pokrytí netuším, ale měřit se to dá.

Odpovědět


Re: Re: rychlosti a spolehlivosti fotoniky?

Radka Sladká,2015-08-05 07:55:25

Že si tak troufnete, odpovídat panu Hrnčiříkovi. Já bych se bála, že mu skočím na špek a veřejně se zesměšním :-)

Odpovědět


Re: Re: Re: rychlosti a spolehlivosti fotoniky?

Petr Nejedlý,2015-08-05 09:39:41

Když mně náramně baví jeho neprůstřelný pragmatismus, myslím že na špek nikoho nechytá, jen nám tu dává jadrně najevo, že tu na fyziku je nakonec každý marketing krátký.

Ale přesto jsem se neodvážil na ten tenký led přímých optických výpočtů, kde sice umíme realizovat optické "hradlo" (optický signál spíná optický signál), ale jen díky opticky nelineárním prostředím, což bratru znamená, že ačkoli optiku nemusíme napřed převádět na signál elektrický, elektrony (usazené v onom nelineárním optickém krystalu) se oné optické interakce stejně nakonec nějak zúčastňují...

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: rychlosti a spolehlivosti fotoniky?

Radka Sladká,2015-08-05 11:52:38

Právě že na špek nikoho nechytá. O to je to větší ostuda, když se i tak nachytáte :-)

A jsem moc ráda, že na fyziku je každý marketing krátký. Že moc i těch nejmocnějších má svoje hranice.

Odpovědět


skákat na špek

Ondi Vo,2015-08-05 14:45:09

Proč jste použila tenhle pejorativní obrat "skákat na špek"? Nevšim jsem si, že by pan Hrnčíř někomu nějaký špek nabízel a někoho na něj lákal.

K počtu "barev" při RGB zobrazení. Ten počet množství variací je daný klasickým osmi-bitovým rozlišením v intenzitě zdrojů jednotlivých "barev". Fotoaparáty mají běžně vyšší rozlišení, třeba 12-bitové.

Odpovědět


Oprava

Ondi Vo,2015-08-05 14:46:36

Pardon, pan Hrncirik.

Odpovědět


Re: skákat na špek

Radka Sladká,2015-08-06 08:18:43

Aha :-) A čo je to to rozlišení, Kefalín ?


Jinak s vámi zajisté souhlasím. Nikdo při smyslech dnes nikoho nemůže lákat na špek :-)A pan Hrnčiřík nejspíš při smyslech je, i když jeho vnímání asi funguje trochu jinak, než vnímání většiny.

Odpovědět


jsem načapán.

Ondi Vo,2015-08-06 13:14:46

Co si predstavujem pod pojmom rozlišenie, pán velkomožný major? :-)

Když je řeč o vnímání barev, tak jde o to, o jaký odstín (o jak velkou nuanci) se musí dvě barvy od sebe odlišovat, aby je člověk jako odlišné vnímal. Jasan.

V případě "výroby" barevného světla, třeba na obrazovce monitoru a nebo tím tříbarevným laserem, jde o to jak velké odstupy v intenzitě jednotlivých zdrojů světla jsou realizované.

Standardní digitální regulace používá osmibitový systém, každý z těch tří zdrojů lze vybudit od nuly po maximum ve 256 stupních, u tří barev, od "černé" po "bílou" dostanem 16 milionů 777 tisíc 216 stupínků. To je víc, než je lidské oko schopno rozlišit.

Odpovědět


Re: jsem načapán.

Radka Sladká,2015-08-06 15:16:18

Takže, když si vezmeme monitor, tak jeden pixel je tvořen 8 bity-osmi body, které buď svítí nebo ne? A když svítí tak buď červeně, modře, nebo zeleně? A těch 256 stupňů? Tím se myslí jednotlivé odstíny RGB od nejsvětlejší až po nejtmavší? To se udělá jak, světle červená, na rozdíl třeba od tmavě červené ? NEdává mi to smysl:-)

Odpovědět


Re: Re: jsem načapán.

Ondi Vo,2015-08-06 15:52:49

Ne tak docela.

Jeden pixel je jeden obrazový bod, při barevném zobrazení na monitorech je tvořen třemi body, každý jedné barvy - RGB.
To osmibitové rozlišení se týče každé třetinky toho pixelu, tedy intenzitě vybuzení zdroje světla pro jeden z RGB bodů.

Asi to píšu chaoticky, je to v zásadě ale prosté a jednoduché.

Každá ta třetinka pixelu, třeba ta červená je vybuzená (v osmi bitovém systému) na některou z hodnot intenzity od nuly po maximum. Těch stupínků hodnot intenzity třeba té červené je 256, tedy 0 až 255.
Každý z těch třech RGB bodů je tedy vybuzen na určitou intenzitu a lidské oko to z určitého odstupu vnímá jako jeden obrazový barevný bod. V závislosti na intenzitě toho-kterého bodu RGB dostaneme různé odstímy barevné škály, začínající černou a končící bílou.

Černá je když R=0, G=0 a B=0, bílá je tehdy když R=255, G=255 a B=255.
Střední šedivá je když R=127, G=127 a B=127, tmavá šedivá třeba R=10, G=10 a B=10.
Intenzívní (světlá) červená je když R=255, G=0 a B=0, tmavá červená třeba R=50, G=0 a B=0.
Intenzívní žlutá je když R=255, G=255 a B=0, atd.

Viz "míchání" barevného světla k vyhledání na webu.

Odpovědět


Re: Re: Re: jsem načapán.

Radka Sladká,2015-08-07 08:39:42

Zajímavé, jak někdy čísla vnášejí do věci jasno a někdy naopak. V tomhle případě to myslím spíš vyjasňují :-)

Takže teď aspoň chápu, proč jsem měla pravdu, když jsem říkala, že to záleží na tom, v jak jemném poměru je technologie schopná RGB míchat :-)

Děkuji

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: jsem načapán.

Ondi Vo,2015-08-07 12:52:40

Rádo se stalo. :-)

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: jsem načapán.

Radka Sladká,2015-08-07 14:07:21

Rádo se stalo?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: jsem načapán.

Ondi Vo,2015-08-07 17:47:19

Proč ne?

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: jsem načapán.

Radka Sladká,2015-08-07 21:39:54

Proč ne?

Odpovědět


pár nanometrů vlnové délky od sebe

Josef Hrncirik,2015-08-05 14:31:21

nejlépe vidím na 550 nm a nejsem schopen rozlišit kanály o pár nanometrů vedle.
Nekouše a neprská foton když ho cpete do vlnovodu který je mu těsný?
Kam vlastně dopadne v pohodlném vlnovodu?
Není smutná pravda, že se obvykle netrefí kam má? Nespoléháme se pak tedy prakticky vždy, že uvidíme pouze až dopad uvolněné energie dopadající laviny (elektronem či fotonem z jiné předchozí laviny) odpáleného muničáku či aspoň pastičky na myši?
Vysíláme fotony v potřebném počtu v daný čas (nebo je to jen hazard) do vlnovodu užšího než 0,1 lambda a spínají nám spolehlivě cílový elektron či spršku elektronů v oblasti cca 0,1 lambda? energeticky účinně?

Odpovědět


Re: Re: rychlosti a spolehlivosti fotoniky?

Josef Hrncirik,2015-08-05 21:04:15

Odpovědět


Re: rychlosti a spolehlivosti fotoniky?

Antonín Hvízdal,2015-08-05 17:24:30

Tak kromě jedniček a nul se dá u fotonů vložit informace třeba i do takové polarizace. Takže další možnost navýšení přenosové rychlosti.

Odpovědět


obávám se, že nelze měnit u nahodie vybraného fotonu

Josef Hrncirik,2015-08-05 21:02:17

rychle to je za letu polarizaci, ale musí být vybrán (či spíše celá sprška odkloněna) a zpolarizována a zkontrolována.
To je pak asi lepší prostě jen přidat další nepolarizovaný kanál.
Časem prý využijem i fázi (destrukce či interferenční 3dB)

Odpovědět

má laser větší energetickou účinnost než LED?

Josef Hrncirik,2015-08-04 21:30:38

Odpovědět


uveďte prosím % z teor. maxima

Josef Hrncirik,2015-08-04 21:32:54

Odpovědět

Osvětlení lasery

Stanislav Brabec,2015-08-04 21:26:40

Měl jsem za to, že osvětlení lasery se zatím moc neujalo.

Polovodičové lasery mají sice ze všech současných zdrojů nejvyšší účinnost, ale mají jeden neduh: Jejich světlo je koherentní. A to je něco, s čím se lidský mozek špatně vypořádává. V místnosti osvětlené koherentním světlem vidíme všude divoce poskakující barevný šum interferenčních obrazců, a brzy nás začne bolet hlava.

Už v této oblasti došlo k nějakému průlomu?

Odpovědět

kombinace barev RGB nemůže vytvořit o 70% více barev než konkurenční kombinace RGB

Josef Hrncirik,2015-08-04 21:20:24

Tak nás to naučili ve VUMLU.

Odpovědět


Re: kombinace barev RGB nemůže vytvořit o 70% více barev než konkurenční kombinace RGB

Radka Sladká,2015-08-05 07:57:07

Asi jde o to v jak jemném poměru může technologie RGB míchat ne? :-)

Odpovědět


v rámci kvant spojitě

Josef Hrncirik,2015-08-05 13:46:28

Odpovědět


Re: v rámci kvant spojitě

Radka Sladká,2015-08-06 08:21:37

Vy jste se tedy nějak rozjel :-) Co s člověkem neudělá trocha povzbuzení v podobě pozornosti :-)

Odpovědět


tak prý už 8. bitové pixly jsou barevnější než oko může uzřít a jazyk vypovědět

Josef Hrncirik,2015-08-06 16:20:59

Odpovědět

Koherence

Petr Nejedlý,2015-08-04 08:12:10

Měl jsem za to, že jednou z vlastností laseru je koherence. To by mě vskutku zajímalo, jak to bude s koherencí 3 různých vlnových délek ;-)

Ale jestli jim to svítí aspoň trochu použitelně, mohlo by to přinést výrazný pokrok v pikoprojektorech. Přecijen mají laserové projektory nějaké ty výhody, ale optika byla doteď trochu složitější....

Odpovědět


Re: Koherence

Stanislav Brabec,2015-08-04 21:22:21

Tři koherentní paprsky v jednom svazku.

Takové krabičky s bílým paprskem už se dají běžně koupit i dnes. Akorát jsou v nich tři lasery a soustava polopropustných zrcadel. Zkuste si vykuchat rozbitou DVD mechaniku. Tam je totéž, akorát jen pro dvě barvy.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni