Nesen pusvadītāju lāzeru komanda, kurā ietilpst Nacionālās Aizsardzības tehnoloģiju universitātes Starpdisciplināro zinātņu skola un Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd., ir guvusi ievērojamus panākumus divu-krāsu pusvadītāju lāzeru izpētē. Rezultāti ar nosaukumu "Monolīts 960/1000nm bi{6}krāsu pusvadītāju disku lāzers nodrošina spilgtumu, kas pārsniedz 300MW/cm²sr", tika publicēti ACS Photonics. Zhang Zhicheng, USTC pētnieka asistents, bija pirmais autors, un profesori Van Jun un Zhang Chao Fan bija attiecīgie autori.
Pusvadītāju disku lāzeri (SDL), kas pazīstami arī kā vertikālās{0}}dobuma virsmas-izstarojošie lāzeri (VECSEL), pēdējos gados ir izpelnījušies ievērojamu uzmanību. Apvienojot pusvadītāju pastiprinājuma un cietvielu -rezonatoru priekšrocības, tie efektīvi pārvar parasto viena-režīmu pusvadītāju lāzeru emisijas laukuma ierobežojumus, vienlaikus piedāvājot elastīgu pusvadītāju joslas spraugas dizainu un augstas materiāla pastiprinājuma īpašības. Tie atrod pielietojumu daudzos gadījumos, tostarp zema-trokšņa šaura-līnijas platuma lāzera izvade, īpaši ātra-atkārtošanās-impulsu ģenerēšana, augsta{10}}harmonijas ģenerēšana un nātrija vadošās zvaigznes tehnoloģija. Jaunajai tehnoloģijai ir nepieciešama lielāka viļņa garuma elastība. Divu-viļņu garuma koherentie avoti demonstrē milzīgu potenciālu tādās jaunās jomās kā pret-traucēšanas lidars, hologrāfiskā interferometrija, viļņu garuma dalīšanas multipleksēšana, vidēja-infrasarkanā vai terahercu ģenerēšana un daudzkrāsu optisko frekvenču ķemmes. Pusvadītāju disku lāzeros joprojām ir nopietns izaicinājums sasniegt augstu-spilgtumu, divu viļņu{18}}emisiju, vienlaikus nomācot konkurenci starp viļņu garumiem.
Lai risinātu šo izaicinājumu, pusvadītāju lāzeru komanda ierosināja novatorisku mikroshēmu dizainu. Veicot-padziļinātus skaitliskus pētījumus, viņi atklāja, ka precīzi kontrolējot no temperatūras-atkarīgu kvantu pastiprinājuma filtrēšanas un pusvadītāju mikrodobuma filtrēšanas efektus, var nodrošināt elastīgu dubulto-krāsu pastiprinājuma regulēšanu. Pamatojoties uz to, komanda veiksmīgi izstrādāja augstas -spilgtuma palielināšanas mikroshēmu, kas darbojas pie 960/1000 nm. Šis lāzers darbojas gandrīz -difrakcijas-ierobežotā pamata režīmā, sasniedzot izejas spilgtumu aptuveni 310 mW/cm²sr.
Pētniecības inovācijas
1. attēls. Augsta-spilgtuma dubultā-viļņa garuma pusvadītāju pastiprinājuma mikroshēmas dizains
Pusvadītāju plāksnītes pastiprinājuma slānis ir tikai dažus mikrometrus biezs, veidojot Fabri{0}}Pero mikrodobumu starp pusvadītāja-gaisa saskarni un sadalīto Braga atstarotāju pie pamatnes. Pusvadītāju mikrodobuma apstrāde kā integrēts spektrālais filtrs modulē kvantu akas pastiprinājumu. Vienlaikus mikrodobuma filtrēšanas efekts un pusvadītāju pastiprinājums uzrāda atšķirīgus temperatūras novirzes ātrumus. Apvienojumā ar temperatūras kontroli tas ļauj pārslēgt un regulēt izejas viļņa garumu. Izmantojot šīs īpašības, komanda skaitļošanas veidā iestatīja kvantu akas pastiprinājuma maksimumu pie 950 nm pie 300 K ar pastiprinājuma viļņa garuma temperatūras novirzes ātrumu aptuveni 0,37 nm/K. Pēc tam komanda izmantoja pārneses matricas metodi, lai izstrādātu mikroshēmas garenvirziena ierobežojuma faktorus, sasniedzot maksimālos viļņu garumus aptuveni 960 nm un 1000 nm. Simulācijas atklāja temperatūras novirzes ātrumu tikai 0,08 nm/K. Izmantojot metāla-organisko ķīmisko tvaiku nogulsnēšanos (MOCVD) epitaksiskajai augšanai, komanda, nepārtraukti optimizējot procesu, veiksmīgi izveidoja augstas kvalitātes pastiprināšanas mikroshēmas. Fotoluminiscences mērījumi pilnībā atbilda simulācijas rezultātiem. Lai mazinātu termisko slodzi un nodrošinātu lielas{19}}jaudas darbību, tika tālāk izstrādāts pusvadītāju-dimanta mikroshēmu iepakošanas process.
Visaptveroša pusvadītāju pastiprinājuma mikroshēmas izejas raksturlielumu analīze
Pēc mikroshēmas iepakošanas komanda veica visaptverošu lāzera veiktspējas novērtējumu. Nepārtrauktas darbības režīmā emisijas viļņa garumu var elastīgi noregulēt no 960 nm līdz 1000 nm, kontrolējot sūkņa jaudu vai siltuma izlietnes temperatūru. Konkrētā sūkņa jaudas diapazonā lāzers sasniedza arī divu viļņu garumu darbību ar viļņu garuma atstarpi 39,4 nm, sasniedzot maksimālo nepārtraukto-viļņu jaudu 3,8 W. Vienlaikus lāzers uzturēja gandrīz-difrakcijas{10}}ierobežotu pamata režīma darbību ar aptuveni 1 m² un spilgtumu tikai 1 m². 310 MW/cm²sr. Komanda arī pētīja lāzera kvazi{14}}nepārtraukto viļņu veiktspēju. Ievietojot rezonatora dobumā LiB₃O5 nelineāru optisko kristālu, viņi veiksmīgi novēroja summas{16}frekvences signālus, apstiprinot abu viļņu garumu sinhronizāciju.
Šis ģeniālais mikroshēmas dizains nodrošina kvantu urbuma pastiprinājuma filtrēšanas un mikrodobumu filtrēšanas organisku integrāciju, liekot dizaina pamatu divu viļņu garuma lāzera avotu izmantošanai. Runājot par veiktspējas metriku, šis monolītais divu viļņu garuma-lāzers nodrošina augstu spilgtumu, augstu elastību un precīzu koaksiālo staru izvadi. Tā spilgtums ir viens no pasaules vadošajiem līmeņiem pašreizējā monolītu divviļņu{4}}pusvadītāju lāzeru jomā. Praktiski šis sasniegums ir daudzsološs daudzkrāsu lidaru sistēmās. Pateicoties tā augstajam spilgtumam un dubultā-viļņa garuma īpašībām, tas var efektīvi uzlabot radara noteikšanas precizitāti un pret-traucējumu iespējas sarežģītās vidēs. Optisko frekvenču ķemmes lietojumos tā stabilā divu viļņu garuma izvade nodrošina būtisku atbalstu precīziem spektrālajiem mērījumiem un augstas{12}}izšķirtspējas optiskajai uztveršanai. Raugoties nākotnē, komanda plāno padziļināt pētījumus. No vienas puses, to mērķis ir izstrādāt elektro{15}}sūknējamas ierīces, optimizējot tādus parametrus kā elektrodu izmēri un dopings, lai vēl vairāk palielinātu viena režīma jaudu. Savukārt viņi pētīs jaunus elektro{18}}sūknējamo fotonisko kristālu virsmu-izstarojošos pusvadītāju lāzerus.
