Nedavno je tim za poluvodičke lasere koji se sastoji od Škole interdisciplinarnih nauka na Nacionalnom univerzitetu za odbrambenu tehnologiju i Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. postigao značajan napredak u istraživanju lasera dual{2}}poluprovodnika u boji. Nalazi pod nazivom "Monolitni 960/1000nm bi-poluprovodnički disk laser u boji daje svjetlinu od preko 300MW/cm²sr" objavljeni su u ACS Photonics. Zhang Zhicheng, asistent istraživač na USTC, služio je kao prvi autor, a profesori Wang Jun i Zhang Chao Fan kao dopisni autori.
Poluprovodnički disk laseri (SDL), također poznati kao laseri koji emituju vertikalnu-površinu{1}}supljina (VECSEL), privukli su značajnu pažnju posljednjih godina. Kombinujući prednosti poluprovodničkog pojačanja i rezonatora u čvrstom stanju-, oni efikasno prevazilaze ograničenja emisionog područja konvencionalnih mono{4}}poluprovodničkih lasera dok nude fleksibilan dizajn poluprovodničkog pojasnog razmaka i visoke karakteristike materijalnog dobitka. Nalaze primjene u brojnim scenarijima, uključujući nisku-usku{7}}lasersku širinu šuma{7}}laserskog izlaza, ultrabrzo-generiranje pulsa sa velikom brzinom ponavljanja{9}}generaciju visokih{10}}harmonika i tehnologiju zvijezde vodilice natrijuma. Napredna tehnologija zahtijeva veću fleksibilnost talasnih dužina. Dvostruki-koherentni izvori talasne dužine pokazuju ogroman potencijal u novonastalim poljima kao što su anti-lidar protiv ometanja, holografska interferometrija, multipleksiranje komunikacija po talasnim dužinama, srednje{15}}infracrvena ili terahercna generacija i višebojni optički frekventni češljevi. Postizanje emisije visoke-sjajne dvostruke-emisije talasne dužine uz potiskivanje konkurencije u pojačanju između talasnih dužina ostaje značajan izazov u poluvodičkim disk laserima.
Kako bi riješio ovaj izazov, tim za poluvodičke lasere predložio je inovativni dizajn čipa. Kroz-dubinske numeričke studije, otkrili su da precizna kontrola temperature-zavisnog filtriranja pojačanja kvantnog bunara i efekata filtriranja mikrošupljine poluvodiča može omogućiti fleksibilnu dvostruku-regulaciju pojačanja boja. Nadovezujući se na ovo, tim je uspješno dizajnirao čip-visoko pojačanje svjetline koji radi na 960/1000 nm. Ovaj laser radi u osnovnom načinu rada sa skoro{9}}ograničenom difrakcijom-, postižući izlaznu svjetlinu od približno 310 mW/cm²sr.
Research Innovations
Slika 1: Dizajn čipa poluprovodničkog pojačanja visoke{1}}svjetline s dvostrukom-valnom dužinom
Sloj pojačanja poluprovodničke pločice je debeo samo nekoliko mikrometara, formirajući Fabry-Perot mikrošupljinu između poluvodičkog-vazdušnog interfejsa i distribuiranog Braggovog reflektora na podlozi. Tretiranje poluprovodničke mikrošupljine kao integrisanog spektralnog filtera modulira pojačanje kvantnog bunara. Istovremeno, efekat filtriranja mikrošupljine i pojačanje poluprovodnika pokazuju različite stope temperaturnog pomaka. U kombinaciji sa kontrolom temperature, ovo omogućava prebacivanje i regulaciju izlazne talasne dužine. Koristeći ova svojstva, tim je kompjuterski postavio maksimum pojačanja kvantnog bunara na 950 nm na 300 K, sa temperaturnim pomakom talasne dužine pojačanja od približno 0,37 nm/K. Nakon toga, tim je koristio metod matrice prijenosa da dizajnira faktore uzdužnog ograničenja čipa, postižući vršne valne dužine od približno 960 nm i 1000 nm. Simulacije su otkrile brzinu temperaturnog pomaka od samo 0,08 nm/K. Koristeći metal-organsko hemijsko taloženje parom (MOCVD) za epitaksijalni rast, tim je uspješno proizveo čipove visokog{16}}kvaliteta kroz kontinuiranu optimizaciju procesa. Mjerenja fotoluminiscencije u potpunosti su odgovarala rezultatima simulacije. Da bi se ublažilo toplotno opterećenje i omogućio rad velike snage, dalje je razvijen proces pakovanja poluprovodničkih-dijamantskih čipova.
Sveobuhvatna analiza izlaznih karakteristika poluvodičkog pojačanja čipa
Nakon pakiranja čipova, tim je izvršio sveobuhvatnu procjenu njegovih laserskih performansi. U kontinuiranom načinu rada, talasna dužina emisije može se fleksibilno podesiti između 960 nm i 1000 nm kontrolom snage pumpe ili temperature hladnjaka. Unutar određenog opsega snage pumpe, laser je također postigao dvostruku-operaciju talasne dužine sa razmakom talasne dužine od 39,4 nm, postižući maksimalnu kontinuiranu -talasnu snagu od 3,8 W. Istovremeno, laser je održavao blizu-difrakcije{10}}ograničenog osnovnog faktora kvaliteta rada od približno M² i bio je samo u rasponu od približnog intenziteta rada. 310 MW/cm²sr. Tim je također istražio kvazi{14}}kontinuirane talasne performanse lasera. Umetanjem nelinearnog optičkog kristala LiB₃O₅ u šupljinu rezonatora, uspješno su uočili signale{16}}zbirne frekvencije, potvrđujući sinhronizaciju obje valne dužine.
Ovaj genijalni dizajn čipa postiže organsku integraciju filtriranja kvantnog pojačanja i filtriranja mikrošupljina, postavljajući temelj dizajna za realizaciju laserskih izvora s dvostrukom{0}}valnom dužinom. Što se tiče metrike performansi, ovaj monolitni laser sa dvostrukom-talasnom dužinom postiže visoku svjetlinu, veliku fleksibilnost i precizan izlaz koaksijalnog snopa. Njegova svjetlina se svrstava među vodeće svjetske nivoe u trenutnom polju monolitnih dual-talasnih poluvodičkih lasera. Za praktičnu primjenu, ovo postignuće obećava u više-lidar sistemima. Koristeći svoju visoku svjetlinu i dvostruke{8}}karakteristike talasne dužine, može efikasno poboljšati tačnost radarske detekcije i mogućnosti protiv -smetanja u složenim okruženjima. U aplikacijama optičkog frekventnog češlja, njegov stabilan izlaz s dvostrukom-valnom dužinom pruža kritičnu podršku za precizna spektralna mjerenja i optičko sensiranje visoke{12}}rezolucije. Gledajući unaprijed, tim planira produbiti svoja istraživanja. S jedne strane, oni imaju za cilj da razviju uređaje sa elektro-pumpom optimiziranjem parametara kao što su dimenzije elektroda i doping radi daljeg povećanja snage jednog{16}}moda. S druge strane, istraživat će nove elektro{18}}površine fotonskih kristala{19}}koji emituju poluvodičke lasere.
