Najnowsze badania nad dwukolorowymi laserami półprzewodnikowymi
Półprzewodnikowe lasery dyskowe (lasery SDL), znane również jako pionowe lasery z zewnętrzną wnęką rezonansową emitujące powierzchnię (VECSEL), cieszą się w ostatnich latach dużym zainteresowaniem. Łączą one zalety wzmocnienia półprzewodnikowego i rezonatorów półprzewodnikowych. Nie tylko skutecznie niwelują ograniczenia obszaru emisji związane z obsługą trybu jednomodowego w konwencjonalnych laserach półprzewodnikowych, ale także charakteryzują się elastyczną konstrukcją przerwy energetycznej i wysokim wzmocnieniem materiału. Znajdują zastosowanie w szerokim zakresie scenariuszy, takich jak niskoszumowe systemy.laser o wąskiej szerokości liniiMoc wyjściowa, generowanie ultrakrótkich impulsów o wysokiej częstotliwości, generowanie wyższych harmonicznych, technologia sodowej gwiazdy przewodniej itd. Wraz z postępem technologii pojawiły się wyższe wymagania dotyczące elastyczności długości fali. Na przykład, dwufalowe źródła światła koherentnego wykazały niezwykle wysoką wartość użytkową w rozwijających się dziedzinach, takich jak lidar antyzakłóceniowy, interferometria holograficzna, komunikacja z multipleksowaniem z podziałem długości fali, generowanie w zakresie średniej podczerwieni lub teraherców oraz wielokolorowe grzebienie częstotliwości optycznych. Uzyskanie wysokiej jasności emisji dwukolorowej w laserach dyskowych półprzewodnikowych i skuteczne tłumienie konkurencji wzmocnienia między wieloma długościami fali zawsze stanowiło trudność badawczą w tej dziedzinie.
Ostatnio dwukolorowylaser półprzewodnikowyZespół z Chin zaproponował innowacyjną konstrukcję układu scalonego, aby sprostać temu wyzwaniu. Dzięki dogłębnym badaniom numerycznym odkryli, że precyzyjna regulacja zależnego od temperatury filtrowania wzmocnienia studni kwantowej i filtrowania mikrownęki półprzewodnikowej pozwoli na elastyczną kontrolę wzmocnienia dwukolorowego. W oparciu o te badania zespół z powodzeniem zaprojektował układ scalony o wysokiej jasności wzmocnienia 960/1000 nm. Laser ten pracuje w trybie podstawowym w pobliżu granicy dyfrakcji, z jasnością wyjściową sięgającą około 310 MW/cm²Sr.
Warstwa wzmocnienia dysku półprzewodnikowego ma grubość zaledwie kilku mikrometrów, a pomiędzy interfejsem półprzewodnik-powietrze a dolnym rozproszonym reflektorem Bragga utworzona jest mikrownęka Fabry'ego-Perota. Traktowanie mikrownęki półprzewodnikowej jako wbudowanego filtra widmowego układu scalonego będzie modulować wzmocnienie studni kwantowej. Tymczasem efekt filtrowania mikrownęki i wzmocnienie półprzewodnika mają różne szybkości dryftu temperaturowego. W połączeniu z kontrolą temperatury możliwe jest przełączanie i regulacja długości fal wyjściowych. Na podstawie tych cech zespół obliczył i ustawił szczyt wzmocnienia studni kwantowej na 950 nm w temperaturze 300 K, przy czym szybkość dryftu temperaturowego długości fali wzmocnienia wynosiła około 0,37 nm/K. Następnie zespół zaprojektował współczynnik ograniczenia podłużnego układu scalonego, wykorzystując metodę macierzy transmisyjnej, przy długościach fal szczytowych wynoszących odpowiednio około 960 nm i 1000 nm. Symulacje wykazały, że współczynnik dryftu temperatury wyniósł zaledwie 0,08 nm/K. Dzięki zastosowaniu technologii chemicznego osadzania z fazy gazowej związków metaloorganicznych do wzrostu epitaksjalnego oraz ciągłej optymalizacji procesu wzrostu, udało się z powodzeniem wytworzyć wysokiej jakości układy wzmacniające. Wyniki pomiarów fotoluminescencji są w pełni zgodne z wynikami symulacji. Aby zmniejszyć obciążenie cieplne i uzyskać transmisję dużej mocy, udoskonalono proces pakowania układów półprzewodnikowych w diament.
Po zakończeniu montażu układu scalonego zespół przeprowadził kompleksową ocenę wydajności lasera. W trybie pracy ciągłej, poprzez kontrolowanie mocy pompy lub temperatury radiatora, długość fali emisji można elastycznie regulować w zakresie od 960 nm do 1000 nm. Gdy moc pompy mieści się w określonym zakresie, laser może również pracować w trybie dwudługościowym, z interwałem długości fali do 39,4 nm. W tym momencie maksymalna moc fali ciągłej osiąga 3,8 W. Jednocześnie laser pracuje w trybie podstawowym w pobliżu granicy dyfrakcyjnej, ze współczynnikiem jakości wiązki M² wynoszącym zaledwie 1,1 i jasnością sięgającą około 310 MW/cm²sr. Zespół przeprowadził również badania nad wydajnością fali quasi-ciągłejlaser. Sygnał częstotliwości sumarycznej został pomyślnie zaobserwowany po umieszczeniu nieliniowego kryształu optycznego LiB₃O₅ w wnęce rezonansowej, co potwierdziło synchronizację dwóch długości fal.
Dzięki tej pomysłowej konstrukcji układu scalonego uzyskano organiczne połączenie filtracji wzmocnienia studni kwantowej i filtracji mikrownęki, co stanowi podstawę do realizacji dwukolorowych źródeł laserowych. Pod względem wskaźników wydajności, ten jednoprocesorowy laser dwukolorowy charakteryzuje się wysoką jasnością, elastycznością i precyzyjnym wyjściem wiązki współosiowej. Jego jasność plasuje się na wiodącym poziomie w skali międzynarodowej w obecnej dziedzinie jednoprocesorowych laserów półprzewodnikowych dwukolorowych. W praktyce oczekuje się, że to osiągnięcie skutecznie zwiększy dokładność detekcji i zdolność przeciwzakłóceniową lidaru wielokolorowego w złożonych środowiskach, wykorzystując jego wysoką jasność i dwukolorowe właściwości. W dziedzinie grzebieni częstotliwości optycznych, jego stabilne wyjście dwudługościowe może zapewnić kluczowe wsparcie dla takich zastosowań, jak precyzyjne pomiary widmowe i wysokorozdzielcze czujniki optyczne.
Czas publikacji: 23.09.2025