Nedávno tím polovodičových laserov pozostávajúci zo Školy interdisciplinárnych vied na Národnej univerzite obranných technológií a spoločnosti Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. dosiahol významný pokrok vo výskume dvoj-farebných polovodičových laserov. Zistenia s názvom „Monolitický 960/1000nm bi-farebný polovodičový diskový laser poskytuje jas viac ako 300 MW/cm²sr“ boli publikované v ACS Photonics. Zhang Zhicheng, asistent výskumného pracovníka v USTC, slúžil ako prvý autor, profesori Wang Jun a Zhang Chao Fan ako korešpondujúci autori.
Polovodičové diskové lasery (SDL), známe aj ako vertikálne -lasery vyžarujúce povrch dutín- (VECSEL), si v posledných rokoch získali veľkú pozornosť. Kombináciou výhod polovodičového zosilnenia a polovodičových rezonátorov -účinne prekonávajú obmedzenia emisnej oblasti konvenčných jednovidových polovodičových laserov, pričom ponúkajú flexibilný dizajn polovodičového bandgap a charakteristiky vysokého zisku materiálu. Nachádzajú uplatnenie v mnohých scenároch vrátane nízkošumového laserového výstupu s úzkym{7}}šírkou čiary, ultrarýchleho generovania impulzov s vysokou-opakovacou frekvenciou-, vysoko{10}}generovania harmonických prvkov a technológie sodíkových vodiacich hviezd. Pokroková technológia vyžaduje väčšiu flexibilitu vlnových dĺžok. Koherentné zdroje s dvojitou vlnovou dĺžkou demonštrujú obrovský potenciál v nových oblastiach, ako je ľudar proti rušeniu, holografická interferometria, multiplexná komunikácia s delením vlnových dĺžok, generovanie stredných{15}}infračervených alebo terahertzov a viacfarebné optické frekvenčné hrebene. Dosiahnutie vysokého-jasu s dvojitou{18}}vlnovou dĺžkou emisie pri súčasnom potlačení konkurencie medzi vlnovými dĺžkami zostáva významnou výzvou v polovodičových diskových laseroch.
Na riešenie tejto výzvy navrhol tím polovodičových laserov inovatívny dizajn čipu. Prostredníctvom-hĺbkových numerických štúdií zistili, že presná regulácia od teploty-závislého od teploty filtrovania zosilnenia kvantovej studne a efektov filtrovania polovodičových mikrodutín môže umožniť flexibilnú duálnu-reguláciu zosilnenia farieb. Na základe toho tím úspešne navrhol-čip s vysokým ziskom jasu pracujúci pri 960/1000 nm. Tento laser pracuje v základnom režime s obmedzením takmer -difrakcie{10}} a dosahuje výstupný jas približne 310 mW/cm²sr.
Výskumné inovácie
Obrázok 1: Dizajn čipu s vysokým-dvojitým{2}}vlnovým zosilnením polovodiča
Zosilňovacia vrstva polovodičového plátku má hrúbku len niekoľko mikrometrov a vytvára Fabryho-Perotovu mikrodutinu medzi polovodičovým-rozhraním vzduchu a distribuovaným Braggovým reflektorom na substráte. Spracovanie polovodičovej mikrodutiny ako integrovaného spektrálneho filtra moduluje zisk kvantovej jamy. Súčasne efekt filtrovania mikrodutín a zisk polovodičov vykazujú zreteľné rýchlosti posunu teploty. V kombinácii s reguláciou teploty to umožňuje prepínanie a reguláciu výstupnej vlnovej dĺžky. Využitím týchto vlastností tím výpočtovo nastavil vrchol zisku kvantovej studne na 950 nm pri 300 K, s rýchlosťou posunu teploty vlnovej dĺžky zisku približne 0,37 nm/K. Následne tím použil metódu prenosovej matrice na navrhnutie faktorov pozdĺžneho zadržania čipu, čím sa dosiahli špičkové vlnové dĺžky približne 960 nm a 1 000 nm. Simulácie odhalili rýchlosť posunu teploty iba 0,08 nm/K. Pomocou metal-organického chemického nanášania pár (MOCVD) na epitaxný rast tím úspešne vyrobil vysokokvalitné čipy so ziskom{16}}prostredníctvom nepretržitej optimalizácie procesu. Merania fotoluminiscencie plne zodpovedali výsledkom simulácie. Na zmiernenie tepelného zaťaženia a umožnenie{19}}výkonnej prevádzky bol ďalej vyvinutý proces balenia polovodičových{20}diamantových čipov.
Komplexná analýza výstupných charakteristík čipu so ziskom polovodičov
Po balení čipu tím vykonal komplexné hodnotenie výkonu lasera. V režime nepretržitej prevádzky možno vlnovú dĺžku emisie flexibilne vyladiť medzi 960 nm a 1000 nm riadením výkonu čerpadla alebo teploty chladiča. V rámci špecifického rozsahu výkonu pumpy dosahoval laser aj prevádzku s dvoma-vlnovými dĺžkami s rozostupom vlnových dĺžok 39,4 nm, pričom dosiahol maximálny nepretržitý-výkon vĺn 3,8 W. Súčasne laser udržiaval prevádzku v základnom režime s obmedzenou -difrakciou- s faktorom kvality lúča M² a 10W iba 3 M² 1.10 W. Tím tiež skúmal výkon kvázi{14}}kontinuálnych vĺn lasera. Vložením nelineárneho optického kryštálu LiB₃O₅ do dutiny rezonátora úspešne pozorovali súčtové{16}frekvenčné signály, čo potvrdilo synchronizáciu oboch vlnových dĺžok.
Tento dômyselný dizajn čipu dosahuje organickú integráciu filtrovania kvantových vrtov a filtrovania mikrodutín, čím sa vytvára konštrukčný základ pre realizáciu laserových zdrojov s dvojitou{0}}vlnovou dĺžkou. Pokiaľ ide o metriky výkonu, tento monolitický laser s dvojitou{2}}vlnovou dĺžkou dosahuje vysoký jas, vysokú flexibilitu a presný výstup koaxiálneho lúča. Jeho jas sa radí medzi popredné svetové úrovne v súčasnej oblasti monolitických dvoj{4}}vlnových polovodičových laserov. Pre praktické aplikácie je tento úspech sľubný vo viac-farebných lidarových systémoch. Využitím svojho vysokého jasu a dvojitej{8}}vlnovej dĺžky dokáže účinne zvýšiť presnosť detekcie radaru a schopnosť zamedziť-rušeniu v zložitých prostrediach. V aplikáciách s optickými frekvenčnými hrebeňmi poskytuje jeho stabilný výstup s dvojitou{11}}vlnovou dĺžkou kritickú podporu pre presné spektrálne merania a optické snímanie-s vysokým rozlíšením. Pri pohľade do budúcnosti tím plánuje prehĺbiť svoj výskum. Na jednej strane je ich cieľom vyvinúť elektro-zariadenia s pumpovaním pomocou optimalizácie parametrov, ako sú rozmery elektród a doping, aby sa ďalej zvýšil výkon v jednom{16}}režime. Na inom preskúmajú nové elektro-pumpované povrchy fotonických kryštálov-polovodičové lasery.
