A közelmúltban a Nemzeti Védelmi Műszaki Egyetem Interdiszciplináris Tudományok Iskolájából és a Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd.-ből álló félvezető lézeres csapat jelentős előrelépést ért el a kétszínű félvezető lézeres kutatás terén. A „Monolithic 960/1000 nm bi-color félvezető lemezes lézer több mint 300 MW/cm² sr fényerőt biztosít” című eredményeket az ACS Photonics publikálta. Zhang Zhicheng, az USTC segédkutatója volt az első szerző, Wang Jun és Zhang Chao Fan professzorok pedig a megfelelő szerzők.
A félvezető lemezes lézerek (SDL), más néven vertikális{0}}üreges felület-kibocsátó lézerek (VECSEL) az elmúlt években jelentős figyelmet kaptak. A félvezető erősítés és a szilárdtestrezonátorok előnyeit kombinálva hatékonyan leküzdik a hagyományos egymódusú félvezető lézerek emissziós terület korlátait, miközben rugalmas félvezető sávszélesség-kialakítást és magas anyagerősítési jellemzőket kínálnak. Számos forgatókönyvben találnak alkalmazást, beleértve az alacsony-zaj szűk-vonalszélességű lézerkimenetet, az ultragyors, nagy-ismétlési sebességű-impulzusgenerálást, a magas{10}}harmonikus generálást és a nátrium-vezetőcsillag-technológiát. A fejlődő technológia nagyobb hullámhossz-rugalmasságot igényel. A kettős-hullámhosszú koherens források hatalmas potenciált mutatnak az olyan feltörekvő területeken, mint a zavarásgátló lidar, a holografikus interferometria, a hullámhosszosztásos multiplexelés, a közép-infravörös vagy a terahertz-generálás és a többszínű optikai frekvenciafésűk. A nagy-fényerősségű kettős{18}}hullámhosszú emisszió elérése, miközben elnyomja a hullámhosszok közötti erősítési versenyt, továbbra is jelentős kihívást jelent a félvezető lemezes lézereknél.
Ennek a kihívásnak a megoldására a félvezetőlézeres csapat innovatív chiptervezést javasolt. Alapos numerikus tanulmányok során felfedezték, hogy a hőmérséklet-függő kvantumkút-szűrő és a félvezető mikroüregszűrő effektusok precíz szabályozása lehetővé teszi a rugalmas kettős-színerősítés szabályozását. Erre építve a csapat sikeresen megtervezett egy 960/1000 nm-en működő,{5}}nagy fényerejű chipet. Ez a lézer csaknem-diffrakciós{10}}fundamentális módban működik, és körülbelül 310 mW/cm² sr kimeneti fényerőt ér el.
Kutatási innovációk
1. ábra: Nagy-fényerősségű, kettős-hullámhosszú félvezető erősítésű chip kialakítása
A félvezető lapka erősítőréteg mindössze néhány mikrométer vastag, és egy Fabry{0}}Perot-mikroüreget képez a félvezető-levegő interfész és az elosztott Bragg-reflektor között a hordozón. A félvezető mikroüreg integrált spektrális szűrőként való kezelése modulálja a kvantumkút erősítését. Ezzel egyidejűleg a mikroüregszűrő hatás és a félvezető erősítés eltérő hőmérséklet-eltolódási sebességet mutat. Hőmérsékletszabályozással kombinálva ez lehetővé teszi a kapcsolást és a kimeneti hullámhossz szabályozását. Ezeket a tulajdonságokat kihasználva a csapat számítási úton a kvantumkutak erősítési csúcsát 950 nm-re állította be 300 K-en, az erősítési hullámhossz hőmérséklet-eltolódási sebessége körülbelül 0,37 nm/K. Ezt követően a csapat az átviteli mátrix módszert alkalmazta a chip longitudinális elzáródási tényezőinek megtervezésére, így körülbelül 960 nm és 1000 nm csúcshullámhosszt értek el. A szimulációk csak 0,08 nm/K hőmérséklet-eltolódási sebességet mutattak ki. A fém{15}}szerves kémiai gőzlerakódás (MOCVD) segítségével az epitaxiális növekedés érdekében a csapat a folyamatos folyamatoptimalizálással sikeresen állított elő kiváló minőségű{16}forgácsokat. A fotolumineszcencia mérések teljes mértékben megegyeztek a szimulációs eredményekkel. A hőterhelés mérséklése és a nagy teljesítményű{19}}működés lehetővé tétele érdekében egy félvezető{20}}gyémánt chip csomagolási eljárást fejlesztettek tovább.
A félvezető erősítés chip kimeneti jellemzőinek átfogó elemzése
A chip csomagolását követően a csapat átfogó értékelést végzett a lézerteljesítményről. Folyamatos üzemmódban az emissziós hullámhossz rugalmasan beállítható 960 nm és 1000 nm között a szivattyú teljesítményének vagy a hűtőborda hőmérsékletének szabályozásával. Egy adott szivattyúteljesítmény-tartományon belül a lézer kettős-hullámhosszú működést is elért 39,4 nm-es hullámhossz-távolság mellett, és elérte a 3,8 W-os maximális folyamatos-hullámteljesítményt. Ezzel egyidejűleg a lézer közel -diffrakciós{10}}korlátozott működési mód mellett, körülbelül 1 M² fényerővel. 310 MW/cm² sr. A csapat megvizsgálta a lézer kvázi{14}}folyamatos hullámteljesítményét is. Egy LiB₃O5 nemlineáris optikai kristályt behelyezve a rezonátor üregébe sikeresen figyelték meg az összeg{16}}frekvenciás jeleket, megerősítve mindkét hullámhossz szinkronizálását.
Ez a zseniális chip-kialakítás a kvantumkút-erősítés és a mikroüreg-szűrés szerves integrálását valósítja meg, lefektetve a tervezési alapot a kettős{0}}hullámhosszú lézerforrások megvalósításához. Ami a teljesítménymutatókat illeti, ez a monolitikus, kettős hullámhosszú-lézer nagy fényerőt, nagy rugalmasságot és precíz koaxiális sugárkimenetet ér el. Fényereje a világ vezető szintjei közé tartozik a monolitikus kettős{4}}hullámhosszú félvezető lézerek jelenlegi területén. A gyakorlati alkalmazások szempontjából ez az eredmény ígéretes a több-színes lidar rendszerekben. Kihasználva nagy fényerejét és kettős hullámhosszú-hullámhosszát, hatékonyan javíthatja a radarérzékelési pontosságot és -az interferencia elleni képességet összetett környezetben. Az optikai frekvenciás fésűs alkalmazásokban stabil, kettős hullámhosszú{11}}kimenete kritikus támogatást nyújt a precíziós spektrális mérésekhez és a nagy{12}}felbontású optikai érzékeléshez. A jövőre nézve a csapat azt tervezi, hogy elmélyíti kutatását. Egyrészt az elektromos pumpás eszközök kifejlesztését célozzák az olyan paraméterek optimalizálásával, mint az elektródák mérete és az adalékolás az egymódusú teljesítmény további növelése érdekében. A másikban új, elektro{18}}pumpált fotonikus kristályfelületet{19}}kibocsátó félvezető lézereket fedeznek fel.
