Incandescente gloeilampen, leds en CFL’s moeten binnenkort misschien wijken omdat er een nieuwe verlichtingstechnologie in de stad is – witte lasers. Met behulp van nanotechnologie om een op maat gemaakt halfgeleidend materiaal te maken, heeft een team wetenschappers van de Arizona State University (ASU) een laser ontwikkeld die wit licht kan produceren dat helderder en efficiënter is dan leds.

Lasers zijn een ironische technologie. Uitgevonden in 1960, werd de laser bejubeld als een oplossing op zoek naar een probleem met slechts twee voor de hand liggende toepassingsgebieden – doodstralen en verlichting. Tegenwoordig wordt alles van DVD-spelers tot internet met lasers aangedreven, terwijl de dodelijke stralen nog maar net op gang zijn gekomen en de verlichting, die ook nieuw is op het toneel, grotendeels beperkt blijft tot koplampen. Deze laatste, in het geval van Audi’s laserkoplampen, maken geen gebruik van witte lasers als zodanig, maar combineren in plaats daarvan blauwe lasers met leds.

Op het eerste gezicht lijken lasers een geweldig idee voor verlichting. Ze zijn intens helder, efficiënt, en kunnen een straal vormen die miljoenen kilometers kan reizen en slechts een paar meter kan verspreiden. Er is echter een probleem – lasers kunnen geen wit licht genereren.

In 2011 produceerde Sandia National Laboratory wit licht door vier grote lasers te combineren tot een enkele straal, maar dit was slechts een demonstratie van een proof of concept en geen praktisch systeem.

ASU/Nature Nanotechnology

De doorbraak kwam van ASU’s Ira A. Fulton Schools of Engineering, waar wetenschappers op de proppen kwamen met een halfgeleiderlaser die kan werken over het hele zichtbare kleurenspectrum. Normaal produceren halfgeleiders slechts één golflengte van licht, maar het ASU-team ontwikkelde een blad van nanoschaalhalfgeleider op basis van een quaternaire legering van ZnCdSSe, die in drie segmenten wordt gevormd. Deze genereren rode, groene en blauwe lasers die samen een zuiver wit licht creëren.

Het team bereikte dit door het roosterpatroon van het materiaal aan te passen, zodat de “roosterconstante” of afstand tussen de atomen in het patroon wordt ingesteld om het gewenste gebied te produceren. Volgens Zhicheng Liu, lid van het team, was het moeilijk om ervoor te zorgen dat de halfgeleiderkristallen van voldoende kwaliteit waren en dat de roosters uniform waren over een bepaald gebied. Het materiaal blauw laten schijnen was de moeilijkste uitdaging, die werd overwonnen door met nanotechnologie eerst het gewenste raster te creëren en dit vervolgens in de juiste samenstelling van de legering te gieten. Het resultaat was een enkel materiaal met drie verschillende roosters en samenstellingen.

Het ASU-team ziet verschillende toepassingen voor de witte laser zodra deze praktisch wordt. De meest voor de hand liggende is in verlichting. De nieuwe laser kan niet alleen wit licht genereren, maar is ook volledig afstembaar over het hele spectrum – waardoor hij elke gewenste kleur kan uitstralen – en is helderder en efficiënter dan LED’s. Een andere toepassing is in televisies en computermonitoren. Volgens de onderzoekers heeft de laser een 70 procent groter kleurbereik dat nauwkeuriger en levendiger is. Bovendien zou de laser kunnen worden gebruikt voor een op licht gebaseerde versie van Wi-Fi (of Li-Fi). Zo’n systeem zou tien keer sneller zijn dan Wi-Fi en tien tot 100 keer sneller dan experimentele LED-systemen.

De witte laser is momenteel in proof of concept-vorm en verschillende hindernissen moeten worden overwonnen voordat de technologie praktisch is. Volgens het team, de grootste van deze is om het te laten werken van een batterij. In zijn huidige vorm werkt het materiaal op een afzonderlijke laser, die elektronen in de halfgeleider pompt.

De resultaten van het team zijn gepubliceerd in Nature Nanotechnology.