Jaunākie pētījumi par divkrāsu pusvadītāju lāzeriem

Jaunākie pētījumi par divkrāsu pusvadītāju lāzeriem

Pusvadītāju disku lāzeri (SDL lāzeri), kas pazīstami arī kā vertikālie ārējās dobuma virsmas emitējošie lāzeri (VECSEL), pēdējos gados ir piesaistījuši lielu uzmanību. Tie apvieno pusvadītāju pastiprinājuma un cietvielu rezonatoru priekšrocības. Tie ne tikai efektīvi mazina emisijas laukuma ierobežojumu, ko sniedz parastajiem pusvadītāju lāzeriem paredzētais vienmoda atbalsts, bet arī tiem ir elastīgs pusvadītāju joslas atstarpes dizains un augstas materiāla pastiprinājuma īpašības. To var izmantot plašā pielietojuma klāstā, piemēram, zema trokšņa līmeņašaura līnijas platuma lāzersizeja, īpaši īsu, augstas atkārtošanās impulsu ģenerēšana, augstas kārtas harmoniku ģenerēšana un nātrija virzošo zvaigžņu tehnoloģija utt. Tehnoloģijām attīstoties, ir izvirzītas augstākas prasības attiecībā uz to viļņu garuma elastību. Piemēram, divu viļņu garumu koherentās gaismas avoti ir pierādījuši ārkārtīgi augstu pielietojuma vērtību tādās jaunās jomās kā prettraucējumu lidars, hologrāfiskā interferometrija, viļņu garuma dalīšanas multipleksēšanas komunikācija, vidējā infrasarkanā starojuma vai terahercu ģenerēšana un daudzkrāsu optisko frekvenču ķemmes. Kā panākt augstas spilgtuma divu krāsu emisiju pusvadītāju disku lāzeros un efektīvi nomākt pastiprinājuma konkurenci starp vairākiem viļņu garumiem, vienmēr ir bijusi pētniecības grūtība šajā jomā.

Nesen divkrāsupusvadītāju lāzersĶīnas komanda ir ierosinājusi inovatīvu mikroshēmas dizainu, lai risinātu šo problēmu. Veicot padziļinātus skaitliskus pētījumus, viņi atklāja, ka precīza temperatūras izraisītas kvantu aku pastiprinājuma filtrēšanas un pusvadītāju mikrodobumu filtrēšanas efektu regulēšana, domājams, nodrošinās elastīgu divu krāsu pastiprinājuma kontroli. Pamatojoties uz to, komanda veiksmīgi izstrādāja 960/1000 nm augsta spilgtuma pastiprinājuma mikroshēmu. Šis lāzers darbojas fundamentālajā režīmā pie difrakcijas robežas, ar izejas spilgtumu aptuveni 310 MW/cm²sr.

Pusvadītāja diska pastiprinājuma slānis ir tikai dažus mikrometrus biezs, un starp pusvadītāja-gaisa saskarni un apakšējo izkliedēto Brega reflektoru ir izveidots Fabrī-Pero mikrodobums. Apstrādājot pusvadītāja mikrodobumu kā mikroshēmas iebūvēto spektrālo filtru, tiks modulēts kvantu akas pastiprinājums. Tikmēr mikrodobuma filtrēšanas efektam un pusvadītāja pastiprinājumam ir atšķirīgi temperatūras nobīdes ātrumi. Apvienojumā ar temperatūras kontroli var panākt izejas viļņu garumu pārslēgšanu un regulēšanu. Pamatojoties uz šīm īpašībām, komanda aprēķināja un iestatīja kvantu akas pastiprinājuma maksimumu pie 950 nm 300 K temperatūrā, ar pastiprinājuma viļņa garuma temperatūras nobīdes ātrumu aptuveni 0,37 nm/K. Pēc tam komanda, izmantojot transmisijas matricas metodi, izstrādāja mikroshēmas garenisko ierobežojuma koeficientu ar maksimālajiem viļņu garumiem attiecīgi aptuveni 960 nm un 1000 nm. Simulācijas atklāja, ka temperatūras nobīdes ātrums bija tikai 0,08 nm/K. Izmantojot metālorganiskās ķīmiskās tvaiku uzklāšanas tehnoloģiju epitaksiālai augšanai un nepārtraukti optimizējot augšanas procesu, tika veiksmīgi izgatavotas augstas kvalitātes pastiprinājuma mikroshēmas. Fotoluminiscences mērījumu rezultāti pilnībā atbilst simulācijas rezultātiem. Lai mazinātu termisko slodzi un panāktu lielu jaudas pārraidi, pusvadītāju-dimantu mikroshēmu iepakošanas process ir tālāk attīstīts.

Pēc mikroshēmas iepakošanas pabeigšanas komanda veica visaptverošu lāzera veiktspējas novērtējumu. Nepārtrauktas darbības režīmā, kontrolējot sūkņa jaudu vai radiatora temperatūru, emisijas viļņa garumu var elastīgi regulēt no 960 nm līdz 1000 nm. Kad sūkņa jauda ir noteiktā diapazonā, lāzers var sasniegt arī divu viļņu garumu darbību ar viļņu garuma intervālu līdz 39,4 nm. Šajā laikā maksimālā nepārtrauktā viļņa jauda sasniedz 3,8 W. Tikmēr lāzers darbojas pamatrežīmā pie difrakcijas robežas, ar stara kvalitātes koeficientu M² tikai 1,1 un spilgtumu līdz pat aptuveni 310 MW/cm²sr. Komanda veica arī pētījumus par lāzera kvaziekonservatīvo viļņu veiktspēju.lāzersIevietojot rezonanses rezonatorā nelineāro optisko kristālu LiB₃O₅, summārās frekvences signāls tika veiksmīgi novērots, apstiprinot divu viļņu garumu sinhronizāciju.

Ar šo atjautīgo mikroshēmas dizainu ir panākta kvantu aku pastiprinājuma filtrēšanas un mikrodobumu filtrēšanas organiska kombinācija, kas liek pamatu divkrāsu lāzera avotu realizācijai. Runājot par veiktspējas rādītājiem, šis vienmikroshēmas divkrāsu lāzers sasniedz augstu spilgtumu, augstu elastību un precīzu koaksiālā stara izvadi. Tā spilgtums ir starptautiski vadošais pašreizējā vienmikroshēmas divkrāsu pusvadītāju lāzeru jomā. Praktiskā pielietojuma ziņā paredzams, ka šis sasniegums efektīvi uzlabos daudzkrāsu lidara noteikšanas precizitāti un traucējumu novēršanas spēju sarežģītās vidēs, izmantojot tā augsto spilgtumu un divkrāsu īpašības. Optisko frekvenču ķemmes jomā tā stabilā divu viļņu garumu izvade var sniegt būtisku atbalstu tādām lietojumprogrammām kā precīza spektrālā mērīšana un augstas izšķirtspējas optiskā uztveršana.