Najnovší výskum dvojfarebných polovodičových laserov

Najnovší výskum dvojfarebných polovodičových laserov

Polovodičové diskové lasery (SDL lasery), známe aj ako vertikálne lasery s vonkajšou dutinou a povrchovým vyžarovaním (VECSEL), v posledných rokoch priťahujú veľkú pozornosť. Kombinujú výhody polovodičového zosilnenia a rezonátorov v pevnom skupenstve. Nielenže účinne zmierňujú obmedzenie emisnej plochy jednomódovej podpory pre konvenčné polovodičové lasery, ale vyznačujú sa aj flexibilnou konštrukciou polovodičového pásmového zakázaného pásma a vysokými charakteristikami materiálového zosilnenia. Možno ich vidieť v širokej škále aplikačných scenárov, ako napríklad pri nízkom šume.laser s úzkou šírkou čiaryvýstup, generovanie ultrakrátkych impulzov s vysokým počtom opakovaní, generovanie harmonických vyššieho rádu a technológia sodíkových vodiacej hviezdy atď. S pokrokom technológie sa kladú vyššie požiadavky na flexibilitu vlnových dĺžok. Napríklad koherentné svetelné zdroje s dvojitou vlnovou dĺžkou preukázali extrémne vysokú aplikačnú hodnotu v rozvíjajúcich sa oblastiach, ako je lidar proti rušeniu, holografická interferometria, komunikácia s vlnovým multiplexovaním, generovanie stredného infračerveného alebo terahertzového žiarenia a viacfarebné optické frekvenčné hrebene. Dosiahnutie dvojfarebnej emisie s vysokým jasom v polovodičových diskových laseroch a účinné potlačenie konkurencie zisku medzi viacerými vlnovými dĺžkami bolo vždy výskumnou výzvou v tejto oblasti.

Nedávno, dvojfarebnýpolovodičový laserTím v Číne navrhol inovatívny dizajn čipu na riešenie tejto výzvy. Prostredníctvom hĺbkového numerického výskumu zistili, že presná regulácia teplotne podmieneného filtrovania kvantového zisku a filtrovania mikrodutín polovodičových prvkov by mala dosiahnuť flexibilné riadenie dvojfarebného zisku. Na základe toho tím úspešne navrhol čip so ziskom s vysokým jasom 960/1000 nm. Tento laser pracuje v základnom režime blízko difrakčného limitu s výstupným jasom až približne 310 MW/cm²sr.

Zisková vrstva polovodičového disku má hrúbku len niekoľko mikrometrov a medzi rozhraním polovodič-vzduch a spodným rozloženým Braggovým reflektorom je vytvorená Fabry-Perotova mikrodutina. Zaobchádzanie s polovodičovou mikrodutinou ako vstavaným spektrálnym filtrom čipu bude modulovať zisk kvantovej jamy. Zároveň majú efekt filtrovania mikrodutín a zisk polovodiča rôzne rýchlosti teplotného driftu. V kombinácii s reguláciou teploty je možné dosiahnuť prepínanie a reguláciu výstupných vlnových dĺžok. Na základe týchto charakteristík tím vypočítal a nastavil vrchol zisku kvantovej jamy na 950 nm pri teplote 300 K, pričom teplotný drift vlnovej dĺžky zisku je približne 0,37 nm/K. Následne tím navrhol pozdĺžny obmedzujúci faktor čipu pomocou metódy transmisnej matice s vrcholovými vlnovými dĺžkami približne 960 nm a 1000 nm. Simulácie ukázali, že teplotný drift bol iba 0,08 nm/K. Použitím technológie chemického nanášania pár z organokovových zlúčenín pre epitaxný rast a neustálou optimalizáciou procesu rastu boli úspešne vyrobené vysoko kvalitné čipy so ziskom. Výsledky merania fotoluminiscencie sú úplne v súlade s výsledkami simulácie. Na zmiernenie tepelného zaťaženia a dosiahnutie vysokého prenosu výkonu bol ďalej vyvinutý proces balenia polovodičových diamantových čipov.

Po dokončení balenia čipu tím vykonal komplexné posúdenie výkonu jeho laseru. V režime kontinuálnej prevádzky je možné riadením výkonu čerpadla alebo teploty chladiča flexibilne nastaviť vlnovú dĺžku emisie medzi 960 nm a 1000 nm. Keď je výkon čerpadla v určitom rozsahu, laser dokáže dosiahnuť aj prevádzku s dvoma vlnovými dĺžkami s intervalom vlnových dĺžok až do 39,4 nm. V tomto čase maximálny výkon kontinuálnej vlny dosahuje 3,8 W. Laser zároveň pracuje v základnom režime blízko difrakčného limitu s faktorom kvality lúča M² iba 1,1 a jasom až približne 310 MW/cm²sr. Tím tiež vykonal výskum výkonu kvázi-kontinuálnej vlny...laserSignál súčtovej frekvencie bol úspešne pozorovaný vložením nelineárneho optického kryštálu LiB₃O₅ do rezonančnej dutiny, čím sa potvrdila synchronizácia duálnych vlnových dĺžok.

Vďaka tomuto dômyselnému dizajnu čipu sa dosiahla organická kombinácia filtrovania kvantového zisku a filtrovania mikrodutín, čím sa položili základy pre realizáciu dvojfarebných laserových zdrojov. Z hľadiska výkonnostných ukazovateľov dosahuje tento jednočipový dvojfarebný laser vysoký jas, vysokú flexibilitu a presný koaxiálny výstup lúča. Jeho jas je na medzinárodnej úrovni v súčasnej oblasti jednočipových dvojfarebných polovodičových laserov. Z hľadiska praktického využitia sa očakáva, že tento úspech efektívne zvýši presnosť detekcie a schopnosť viacfarebného lidaru odolávať rušeniu v zložitých prostrediach vďaka využitiu jeho vysokého jasu a dvojfarebných charakteristík. V oblasti optických frekvenčných hrebeňov môže jeho stabilný dvojvlnový výstup poskytnúť kľúčovú podporu pre aplikácie, ako je presné spektrálne meranie a optické snímanie s vysokým rozlíšením.