Nedávno tým polovodičových laserů složený ze School of Interdisciplinary Sciences na National University of Defense Technology a Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. dosáhl významného pokroku ve výzkumu dvou-barevných polovodičových laserů. Zjištění s názvem „Monolitický 960/1000nm bi-barevný polovodičový diskový laser poskytuje jas přes 300 MW/cm²sr“ bylo publikováno v ACS Photonics. Zhang Zhicheng, pomocný výzkumný pracovník na USTC, sloužil jako první autor, s profesory Wang Jun a Zhang Chao Fan jako odpovídajícími autory.
Polovodičové diskové lasery (SDL), známé také jako vertikální -kavity povrch-emitující lasery (VECSEL), si v posledních letech získaly značnou pozornost. Kombinací výhod polovodičového zesílení a polovodičových rezonátorů -účinně překonávají omezení emisní oblasti konvenčních jedno{4}}vidových polovodičových laserů a zároveň nabízejí flexibilní konstrukci polovodičového bandgap a charakteristiky vysokého zesílení materiálu. Nacházejí uplatnění v mnoha scénářích, včetně nízkošumového laserového výstupu s úzkým{7}}šířkou čáry, ultrarychlého generování pulsů s vysokou -opakovaností-, vysoko{10}}generování harmonických a technologie sodíkových vodicích hvězd. Pokroková technologie vyžaduje větší flexibilitu vlnových délek. Koherentní zdroje s duálními-vlnovými délkami demonstrují obrovský potenciál v nově vznikajících oborech, jako je lidar proti rušení, holografická interferometrie, multiplexní komunikace s vlnovou délkou, střední{15}}infračervená nebo terahertzová generace a vícebarevné optické frekvenční hřebeny. Dosažení vysokého-jasu v duálním{18}}vlnovém záření při potlačení konkurence mezi vlnovými délkami zůstává u polovodičových diskových laserů významnou výzvou.
K vyřešení této výzvy navrhl tým polovodičových laserů inovativní design čipu. Prostřednictvím-hloubkových numerických studií zjistili, že přesné řízení na teplotě-závislé filtrování zisku kvantové studny a efekty filtrování polovodičových mikrodutin by mohlo umožnit flexibilní duální-regulaci zisku barev. Na základě toho tým úspěšně navrhl čip s vysokým -zvýšením jasu pracující při 960/1000 nm. Tento laser pracuje v téměř -ohybově{10}}omezeném základním režimu a dosahuje výstupního jasu přibližně 310 mW/cm²sr.
Výzkumné inovace
Obrázek 1: Konstrukce čipu se ziskem polovodičů s vysokým-dvou{2}}vlnným jasem
Vrstva zesílení polovodičové destičky je tlustá pouze několik mikrometrů a tvoří Fabryho-Perotovu mikrodutinu mezi polovodičovým-rozhraním se vzduchem a distribuovaným Braggovým reflektorem na substrátu. Zpracování polovodičové mikrodutiny jako integrovaného spektrálního filtru moduluje zisk kvantové studny. Současně efekt filtrování mikrodutin a zisk polovodiče vykazují zřetelné rychlosti posunu teploty. V kombinaci s regulací teploty to umožňuje přepínání a regulaci výstupní vlnové délky. S využitím těchto vlastností tým výpočetně nastavil vrchol zisku kvantové studny na 950 nm při 300 K, s rychlostí posunu vlnové délky zisku přibližně 0,37 nm/K. Následně tým použil metodu přenosové matice k návrhu faktorů podélného zadržení čipu a dosáhl špičkových vlnových délek přibližně 960 nm a 1000 nm. Simulace odhalily rychlost posunu teploty pouze 0,08 nm/K. Pomocí metal-organické chemické depozice z plynné fáze (MOCVD) pro epitaxní růst tým úspěšně vyrobil vysoce kvalitní čipy se ziskem prostřednictvím nepřetržité optimalizace procesu. Měření fotoluminiscence plně odpovídalo výsledkům simulace. Ke zmírnění tepelné zátěže a umožnění-výkonu provozu byl dále vyvinut proces balení polovodičových-diamantových čipů.
Komplexní analýza výstupních charakteristik čipu se ziskem polovodiče
Po zabalení čipu tým provedl komplexní hodnocení výkonu laseru. V režimu nepřetržitého provozu lze vlnovou délku emise flexibilně ladit mezi 960 nm a 1000 nm řízením výkonu čerpadla nebo teploty chladiče. V rámci specifického rozsahu výkonu pumpy dosahoval laser také provozu dvou-vlnových délek s rozestupem vlnových délek 39,4 nm a dosáhl maximálního kontinuálního-vlnného výkonu 3,8 W. Současně laser udržoval provoz v základním režimu s omezeným -difrakcí- s faktorem kvality paprsku M² a 10W pouze 10W pouze M² 3 M² 1.1. Tým také zkoumal kvazi{14}}kontinuální vlnový výkon laseru. Vložením nelineárního optického krystalu LiB₃O₅ do dutiny rezonátoru úspěšně pozorovali součtové-frekvenční signály, což potvrdilo synchronizaci obou vlnových délek.
Tento důmyslný design čipu dosahuje organické integrace filtrování kvantového zisku vrtu a filtrování mikrodutin, čímž pokládá konstrukční základ pro realizaci laserových zdrojů s duální{0}}vlnovou délkou. Pokud jde o metriky výkonu, tento monolitický laser se dvěma-vlnovými délkami dosahuje vysokého jasu, vysoké flexibility a přesného výstupu koaxiálního paprsku. Jeho jas se řadí mezi světovou špičku v současném oboru monolitických dvou{4}}vlnových polovodičových laserů. Pro praktické aplikace je tento úspěch slibný ve více-barevných lidarových systémech. Díky svému vysokému jasu a charakteristikám duální{8}}vlnové délky může účinně zlepšit přesnost detekce radaru a schopnosti proti-rušení ve složitých prostředích. V aplikacích s optickým frekvenčním hřebenem poskytuje jeho stabilní duální{11}}výstup vlnových délek zásadní podporu pro přesná spektrální měření a optické snímání s vysokým{12}}rozlišením. Do budoucna tým plánuje prohloubit svůj výzkum. Na jedné straně se snaží vyvinout elektro-zařízení s čerpadlem optimalizací parametrů, jako jsou rozměry elektrod a doping, aby se dále zvýšil výkon v jednom{16}}režimu. Na dalším prozkoumají nové elektro-pumpované povrchové{19}}polovodičové lasery s fotonickým krystalem.
