Nedavno je tim za poluvodičke lasere koji se sastoji od Škole interdisciplinarnih znanosti pri Nacionalnom sveučilištu za obrambenu tehnologiju i Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. postigao značajan napredak u istraživanju dvo-bojnih poluvodičkih lasera. Nalazi pod nazivom "Monolitni 960/1000nm dvobojni poluvodički disk laser pruža svjetlinu od preko 300MW/cm²sr" objavljeni su u ACS Photonics. Zhang Zhicheng, pomoćni istraživač na USTC-u, bio je prvi autor, s profesorima Wang Junom i Zhang Chao Fanom kao dopisnim autorima.
Poluvodički disk laseri (SDL), također poznati kao okomiti -cavity surface-emitting laseri (VECSEL), posljednjih su godina privukli značajnu pozornost. Kombinirajući prednosti pojačanja poluvodiča i rezonatora u-čvrstom stanju, oni učinkovito prevladavaju ograničenja područja emisije konvencionalnih jedno-modnih poluvodičkih lasera, a istovremeno nude fleksibilan dizajn poluvodičkog pojasnog pojasa i visoke karakteristike pojačanja materijala. Pronalaze primjenu u brojnim scenarijima, uključujući nisko{6}}šumni laserski izlaz-širine linije, ultrabrzo generiranje pulsa-brzine-ponavljanja, visoko-generiranje harmonika i tehnologiju natrijeve zvijezde vodilje. Napredna tehnologija zahtijeva veću fleksibilnost valnih duljina. Koherentni izvori s dvostrukom-valnom duljinom pokazuju golemi potencijal u novim poljima kao što su lidar protiv-ometanja, holografska interferometrija, komunikacije s multipleksiranjem valnih duljina, srednje{15}}generiranje infracrvenog ili teraherca i višebojni optički frekvencijski češljevi. Postizanje visoke{17}}svjetline dvostruke-emisije valne duljine uz potiskivanje konkurencije pojačanja između valnih duljina ostaje značajan izazov u poluvodičkim disk laserima.
Kako bi riješili ovaj izazov, tim za poluvodičke lasere predložio je inovativni dizajn čipa. Kroz-duboke numeričke studije, otkrili su da precizna kontrola filtriranja kvantnog pojačanja-ovisnog o temperaturi i učinaka filtriranja mikrošupljina poluvodiča može omogućiti fleksibilnu regulaciju pojačanja dvostruke-boje. Nadovezujući se na to, tim je uspješno dizajnirao čip-za povećanje svjetline koji radi na 960/1000 nm. Ovaj laser radi u gotovo-difrakcijskom-ograničenom osnovnom načinu rada, postižući izlaznu svjetlinu od približno 310 mW/cm²sr.
Istraživačke inovacije
Slika 1: Dizajn čipa poluvodiča s dvostrukom{2}}valnom duljinom visoke{1}}svjetline
Sloj pojačanja poluvodičke ploče debeo je samo nekoliko mikrometara, tvoreći Fabry-Perot mikrošupljinu između poluvodičkog-zračnog sučelja i raspodijeljenog Braggovog reflektora na podlozi. Tretiranje poluvodičke mikrošupljine kao integriranog spektralnog filtra modulira pojačanje kvantne jame. Istovremeno, učinak filtriranja mikrošupljina i pojačanje poluvodiča pokazuju različite stope temperaturnog pomaka. U kombinaciji s kontrolom temperature, to omogućuje prebacivanje i regulaciju izlazne valne duljine. Koristeći ova svojstva, tim je računalno postavio vrhunac pojačanja kvantne jame na 950 nm na 300 K, sa stopom temperaturnog pomaka valne duljine dobitka od približno 0,37 nm/K. Nakon toga, tim je upotrijebio metodu prijenosne matrice za dizajn faktora uzdužnog ograničenja čipa, postigavši vršne valne duljine od približno 960 nm i 1000 nm. Simulacije su otkrile temperaturni pomak od samo 0,08 nm/K. Koristeći metal-organsko kemijsko taloženje iz parne pare (MOCVD) za epitaksijalni rast, tim je uspješno proizveo visoko{16}}kvalitetne čipove kontinuiranom optimizacijom procesa. Mjerenja fotoluminiscencije u potpunosti su odgovarala rezultatima simulacije. Kako bi se ublažilo toplinsko opterećenje i omogućio-rad velike snage, dalje je razvijen postupak pakiranja-dijamantnog čipa.
Sveobuhvatna analiza izlaznih karakteristika poluvodičkog čipa
Nakon pakiranja čipa, tim je proveo sveobuhvatnu procjenu njegovih laserskih performansi. U kontinuiranom načinu rada, valna duljina emisije može se fleksibilno namjestiti između 960 nm i 1000 nm kontroliranjem snage pumpe ili temperature hladnjaka. Unutar određenog raspona snage pumpe, laser je također postigao rad s dvostrukom-valnom duljinom s razmakom valne duljine od 39,4 nm, dostigavši maksimalnu trajnu-snagu vala od 3,8 W. Istodobno, laser je održavao gotovo-difrakcijski-ograničeni osnovni način rada s faktorom kvalitete zrake M² od samo 1,1 i svjetlinom od približno 310 MW/cm²sr. Tim je također istražio kvazi-izvedbu kontinuiranog vala lasera. Umetanjem nelinearnog optičkog kristala LiB₃O₅ u šupljinu rezonatora, uspješno su uočili zbroj-frekventnih signala, potvrđujući sinkronizaciju obiju valnih duljina.
Ovaj genijalni dizajn čipa postiže organsku integraciju filtriranja pojačanja kvantne bušotine i filtriranja mikro šupljina, postavljajući temelj dizajna za realizaciju laserskih izvora dvo-valne duljine. Što se tiče metrike performansi, ovaj monolitni laser s dvostrukom{2}}valnom duljinom postiže visoku svjetlinu, visoku fleksibilnost i precizan koaksijalni izlaz zrake. Njegova svjetlina svrstava se među vodeće svjetske razine u trenutnom polju monolitnih poluvodičkih lasera s dvostrukom-valnom duljinom. Za praktične primjene, ovo postignuće obećava u više-lidar sustavima u boji. Iskorištavajući svoju visoku svjetlinu i karakteristike dvo-valne duljine, može učinkovito poboljšati točnost detekcije radara i mogućnosti protiv-smetnji u složenim okruženjima. U aplikacijama s optičkim frekvencijskim češljem, njegov stabilni izlaz s dvostrukom-valnom duljinom pruža kritičnu podršku za precizna spektralna mjerenja i optičko detektiranje visoke-razlučivosti. Gledajući unaprijed, tim planira produbiti svoje istraživanje. S jedne strane, cilj im je razviti uređaje s elektro-pumpanjem optimiziranjem parametara kao što su dimenzije elektroda i dopiranje kako bi se dodatno povećala snaga jednog-moda. Na drugom će istraživati nove elektro{18}}pumpane fotonske kristalne površinske-emitirajuće poluvodičke lasere.
