Recent, o echipă cu laser cu semiconductori care cuprinde Școala de Științe Interdisciplinare de la Universitatea Națională de Tehnologia Apărării și Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. a făcut progrese semnificative în cercetarea cu laser semiconductor cu două-culori. Descoperirile, intitulate „Laserul cu disc semiconductor monolitic de 960/1000 nm bi-oferă o luminozitate de peste 300 MW/cm²sr”, au fost publicate în ACS Photonics. Zhang Zhicheng, un cercetător asistent la USTC, a fost primul autor, cu profesorii Wang Jun și Zhang Chao Fan ca autori corespunzători.
Laserele cu disc semiconductor (SDL), cunoscute și sub denumirea de lasere cu emisie de-cavități verticale- (VECSEL), au atras o atenție semnificativă în ultimii ani. Combinând avantajele amplificarii semiconductoarelor și rezonatoarelor cu stare solidă-, aceștia depășesc în mod eficient limitările zonei de emisie ale laserelor semiconductoare convenționale cu un singur mod-oferind în același timp un design flexibil cu banda interzisă a semiconductoarelor și caracteristici de câștig de material ridicat. Ei găsesc aplicații în numeroase scenarii, inclusiv ieșire laser cu lățime de linie îngustă-zgomotă redusă-, generarea de impulsuri cu frecvență ridicată-repetativă-ultrarapidă, generarea de-armonici ridicate și tehnologia stelei ghid de sodiu. Tehnologia avansată necesită o mai mare flexibilitate a lungimii de undă. Sursele coerente cu lungime de undă dublă-demonstrează un potențial imens în domenii emergente, cum ar fi lidar anti-blocare, interferometrie holografică, comunicații de multiplexare cu diviziune a lungimii de undă, generarea de infraroșu mediu-sau teraherți și piepteni de frecvență optică multicoloră. Obținerea unei-luminozitate duală-emisiei cu lungime de undă dublă în timp ce suprimați competiția de câștig între lungimile de undă rămâne o provocare semnificativă în laserele cu disc semiconductor.
Pentru a face față acestei provocări, echipa laser cu semiconductor a propus un design inovator de cip. Prin-studii numerice aprofundate, ei au descoperit că controlarea precisă a filtrării cuantice a amplificării-dependente de temperatură și a efectelor de filtrare a microcavității semiconductoarelor ar putea permite o reglare flexibilă a câștigului de culoare dublă-. Pornind de la aceasta, echipa a proiectat cu succes un cip de-cu luminozitate ridicată care funcționează la 960/1000 nm. Acest laser funcționează în modul fundamental aproape de-difracție-limitat, realizând o luminozitate de ieșire de aproximativ 310 mW/cm²sr.
Inovații în cercetare
Figura 1: Design de cip cu câștig semiconductor cu lungime de undă duală-luminozitate mare
Stratul de câștig al plachetei semiconductoare are o grosime de numai câțiva micrometri, formând o microcavitate Fabry-Perot între interfața cu aer semiconductor-și reflectorul Bragg distribuit de la substrat. Tratarea microcavității semiconductoare ca pe un filtru spectral integrat modulează câștigul puțului cuantic. Simultan, efectul de filtrare a microcavității și câștigul semiconductorilor prezintă rate distincte de derive a temperaturii. Combinat cu controlul temperaturii, acest lucru permite comutarea și reglarea lungimii de undă de ieșire. Folosind aceste proprietăți, echipa a stabilit din punct de vedere computațional vârful de câștig al sondei cuantice la 950 nm la 300 K, cu o rată de derive a temperaturii lungimii de undă a câștigului de aproximativ 0,37 nm/K. Ulterior, echipa a folosit metoda matricei de transfer pentru a proiecta factorii de limitare longitudinală a cipului, obținând lungimi de undă de vârf de aproximativ 960 nm și 1000 nm. Simulările au evidențiat o rată de derive a temperaturii de numai 0,08 nm/K. Folosind depunerea de vapori chimici organici de metal-(MOCVD) pentru creșterea epitaxială, echipa a fabricat cu succes cipuri cu câștig-de înaltă calitate prin optimizarea continuă a procesului. Măsurătorile fotoluminiscenței s-au potrivit pe deplin cu rezultatele simulării. Pentru a atenua sarcina termică și a permite funcționarea cu putere mare-, a fost dezvoltat în continuare un proces de ambalare a cipurilor de semiconductor-diamant.
Analiza cuprinzătoare a caracteristicilor de ieșire a chipului de câștig de semiconductor
După ambalarea cipurilor, echipa a efectuat o evaluare cuprinzătoare a performanței laserului. În modul de funcționare continuă, lungimea de undă de emisie poate fi reglată în mod flexibil între 960 nm și 1000 nm prin controlul puterii pompei sau a temperaturii radiatorului. Într-un interval specific de putere a pompei, laserul a realizat, de asemenea, o funcționare cu lungime de undă dublă cu o distanță de lungime de undă de 39,4 nm, atingând o putere de undă continuă maximă de 3,8 W. În același timp, laserul a menținut aproape-difracția-funcționarea în mod de calitate fundamentală limitată cu un factor de calitate limitat de luminozitate M² de aproximativ 101 lumini. MW/cm²sr. Echipa a investigat, de asemenea, performanța undelor cvasi-continue a laserului. Prin inserarea unui cristal optic neliniar LiB₃O₅ în cavitatea rezonatorului, ei au observat cu succes semnale de frecvență suma-, confirmând sincronizarea ambelor lungimi de undă.
Acest design ingenios de cip realizează o integrare organică a filtrării cuantice a câștigului puțului și a filtrarii microcavităților, punând baza de proiectare pentru realizarea surselor laser cu lungime de undă dublă-. În ceea ce privește valorile de performanță, acest laser monolitic cu lungime de undă dublă-obține luminozitate ridicată, flexibilitate ridicată și ieșire precisă a fasciculului coaxial. Luminozitatea sa se situează printre nivelurile de top din lume în domeniul actual al laserelor monolitice cu semiconductori cu lungime de undă duală-. Pentru aplicații practice, această realizare este promițătoare în sistemele lidar multi-culoare. Folosind caracteristicile de luminozitate ridicată și de lungime de undă dublă-, poate îmbunătăți în mod eficient acuratețea detectării radar și capabilitățile anti-interferențe în medii complexe. În aplicațiile cu pieptene de frecvență optică, ieșirea sa stabilă cu lungime de undă dublă oferă suport critic pentru măsurători spectrale de precizie și detecție optică de{12}}înaltă rezoluție. Privind în viitor, echipa plănuiește să-și aprofundeze cercetările. Pe de o parte, ei își propun să dezvolte dispozitive electro-pompate prin optimizarea parametrilor precum dimensiunile electrozilor și dopajul pentru a crește și mai mult puterea-un singur mod. Pe de altă parte, ei vor explora lasere cu semiconductori electro-pompate de suprafață-de cristal fotonic.
