Pred kratkim je skupina za polprevodniške laserje, ki jo sestavljajo Šola za interdisciplinarne znanosti na Nacionalni univerzi za obrambno tehnologijo in Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd., dosegla pomemben napredek pri raziskavah dvo-barvnih polprevodniških laserjev. Ugotovitve z naslovom "Monolitni dvobarvni polprevodniški diskovni laser 960/1000 nm zagotavlja svetlost več kot 300 MW/cm²sr" so bile objavljene v ACS Photonics. Zhang Zhicheng, pomočnik raziskovalca pri USTC, je služil kot prvi avtor, s profesorjema Wang Junom in Zhang Chao Fanom kot ustreznimi avtorji.
Polprevodniški diskovni laserji (SDL), znani tudi kot laserji z navpično{0}}površinsko-sevanjem (VECSEL), so v zadnjih letih pritegnili veliko pozornosti. Z združevanjem prednosti polprevodniškega ojačanja in polprevodniških-resonatorjev učinkovito premagajo omejitve območja emisij običajnih eno-načinskih polprevodniških laserjev, hkrati pa ponujajo prilagodljivo zasnovo polprevodniškega pasovnega razmika in značilnosti visokega materialnega ojačanja. Uporabe najdejo v številnih scenarijih, vključno z nizko{6}}šumnim ozko{7}}laserskim izhodom, ultrahitrim-generiranjem-hitrostjo ponavljanja impulzov, visoko-generiranjem harmonikov in tehnologijo natrijevih zvezdnih vodil. Napredna tehnologija zahteva večjo prilagodljivost valovnih dolžin. Koherentni viri z dvojno-valovno dolžino izkazujejo ogromen potencial na nastajajočih področjih, kot so lidarji proti-motenju, holografska interferometrija, komunikacije z multipleksiranjem z delitvijo valovnih dolžin, generacija srednje{15}}infrardečega ali teraherca in večbarvni optični frekvenčni glavniki. Doseganje visoke{17}}svetlosti dvojne-valovne dolžine ob hkratnem zatiranju konkurence med valovnimi dolžinami ostaja pomemben izziv pri polprevodniških diskovnih laserjih.
Za reševanje tega izziva je skupina polprevodniških laserjev predlagala inovativno zasnovo čipa. S-poglobljenimi numeričnimi študijami so odkrili, da lahko natančen nadzor nad temperaturno-odvisnim filtriranjem kvantnega ojačenja in učinki polprevodniškega filtriranja mikrovotlin omogočijo prilagodljivo regulacijo ojačenja dvojne-barve. Na podlagi tega je ekipa uspešno zasnovala čip-za povečanje svetlosti, ki deluje pri 960/1000 nm. Ta laser deluje v skoraj-difrakcijsko-omejenem osnovnem načinu in dosega izhodno svetlost približno 310 mW/cm²sr.
Raziskovalne inovacije
Slika 1: Zasnova visoko{1}}svetlostnega čipa z dvojno{2}}valovno dolžino ojačanja polprevodnika
Ojačitvena plast polprevodniške rezine je debela le nekaj mikrometrov in tvori Fabry-Perotovo mikrovotlino med polprevodniškim-zračnim vmesnikom in porazdeljenim Braggovim reflektorjem na substratu. Obravnava polprevodniške mikrovotle kot integriranega spektralnega filtra modulira ojačenje kvantne vrtine. Hkrati učinek filtriranja mikrovotle in polprevodniški dobiček kažeta različne stopnje temperaturnega premika. To v kombinaciji z nadzorom temperature omogoča preklapljanje in regulacijo izhodne valovne dolžine. Z izkoriščanjem teh lastnosti je ekipa računalniško nastavila vrh ojačenja kvantne vrtine pri 950 nm pri 300 K, s hitrostjo temperaturnega premika valovne dolžine ojačenja približno 0,37 nm/K. Kasneje je ekipa uporabila metodo prenosne matrike za načrtovanje faktorjev vzdolžne omejitve čipa in dosegla najvišje valovne dolžine približno 960 nm in 1000 nm. Simulacije so pokazale temperaturni odmik le 0,08 nm/K. Z uporabo metal-organskega kemičnega naparjevanja (MOCVD) za epitaksialno rast je ekipa uspešno izdelala visoko{16}}kakovostne ojačevalne čipe s stalno optimizacijo postopka. Meritve fotoluminiscence so se popolnoma ujemale z rezultati simulacije. Da bi zmanjšali toplotno obremenitev in omogočili-močno delovanje, je bil nadalje razvit postopek pakiranja-diamantnega čipa polprevodnika.
Obsežna analiza izhodnih karakteristik čipov za ojačanje polprevodnikov
Po pakiranju čipa je ekipa izvedla celovito oceno njegove laserske učinkovitosti. V neprekinjenem načinu delovanja je mogoče valovno dolžino emisije prilagodljivo nastaviti med 960 nm in 1000 nm z nadzorom moči črpalke ali temperature hladilnega telesa. Znotraj določenega območja moči črpalke je laser dosegel tudi delovanje z dvojno-valovno dolžino z razmikom valovnih dolžin 39,4 nm, s čimer je dosegel največjo neprekinjeno-moč valov 3,8 W. Hkrati je laser vzdrževal skoraj-difrakcijsko-omejeno osnovno delovanje s faktorjem kakovosti žarka M² samo 1,1 in svetlostjo približno 310 MW/cm²sr. Skupina je raziskala tudi kvazi-neprekinjeno valovanje laserja. Z vstavitvijo nelinearnega optičnega kristala LiB₃O₅ v resonatorsko votlino so uspešno opazovali vs-frekvenčne signale, kar je potrdilo sinhronizacijo obeh valovnih dolžin.
Ta domiselna zasnova čipa dosega organsko integracijo filtriranja s kvantnim ojačenjem in filtriranja z mikrovotlinami, s čimer postavlja temelje za oblikovanje laserskih virov z dvojno-valovno dolžino. Kar zadeva meritve učinkovitosti, ta monolitni laser z dvojno-valovno dolžino dosega visoko svetlost, visoko prilagodljivost in natančen koaksialni izhod žarka. Njegova svetlost se uvršča med vodilne svetovne ravni na trenutnem področju monolitnih polprevodniških laserjev z dvojno-valovno dolžino. Za praktične aplikacije ta dosežek obeta v več-barvnih lidarskih sistemih. S svojo visoko svetlostjo in značilnostmi dvojne-valovne dolžine lahko učinkovito izboljša natančnost zaznavanja radarja in zmogljivosti za-preprečevanje motenj v zapletenih okoljih. V aplikacijah optičnega frekvenčnega glavnika njegov stabilen izhod z dvojno-valovno dolžino zagotavlja kritično podporo za natančne spektralne meritve in optično zaznavanje visoke-ločljivosti. V prihodnosti namerava skupina poglobiti svoje raziskave. Na eni strani si prizadevajo razviti elektro{15}}črpalne naprave z optimizacijo parametrov, kot so dimenzije elektrod in dopiranje, da bi dodatno povečali eno-moč. Na drugem bodo raziskovali nove elektro{18}}površinsko{19}}oddajajoče polprevodniške laserje s fotonskimi kristali.
