Nejnovější výzkum dvoubarevných polovodičových laserů
Polovodičové diskové lasery (SDL lasery), známé také jako vertikální lasery s vnější dutinou a povrchovou emisí (VECSEL), v posledních letech přitahují velkou pozornost. Kombinují výhody polovodičového zesílení a rezonátorů v pevné fázi. Nejenže účinně zmírňují omezení emisní plochy u jednomódového nosiče konvenčních polovodičových laserů, ale také se vyznačují flexibilní konstrukcí polovodičového pásmového zakázaného pásma a vysokými charakteristikami zesílení materiálu. Lze je vidět v široké škále aplikačních scénářů, jako je nízký šum.laser s úzkou šířkou čáryvýstup, generování ultrakrátkých pulzů s vysokým počtem opakování, generování harmonických vyššího řádu a technologie sodíkové vodicí hvězdy atd. S pokrokem technologie byly kladeny vyšší požadavky na flexibilitu vlnových délek. Například koherentní světelné zdroje s dvojitou vlnovou délkou prokázaly extrémně vysokou aplikační hodnotu v nově vznikajících oblastech, jako je lidar s ochranou proti interferenci, holografická interferometrie, komunikace s vlnovým multiplexem, generování středního infračerveného nebo terahertzového záření a vícebarevné optické frekvenční hřebeny. Jak dosáhnout vysoce jasného dvoubarevného vyzařování v polovodičových diskových laserech a účinně potlačit konkurenci zisku mezi různými vlnovými délkami bylo v této oblasti vždy výzkumným problémem.
Nedávno dvoubarevnýpolovodičový laserTým vědců v Číně navrhl inovativní design čipu, který by tuto výzvu řešil. Prostřednictvím hloubkového numerického výzkumu zjistili, že přesná regulace teplotně podmíněného filtrování kvantového zisku a filtrování mikrodutin polovodičů by měla dosáhnout flexibilního řízení zisku dvou barev. Na základě toho se týmu úspěšně podařilo navrhnout čip s vysokým jasem 960/1000 nm. Tento laser pracuje v základním režimu v blízkosti difrakčního limitu s výstupním jasem dosahujícím přibližně 310 MW/cm²sr.
Zisková vrstva polovodičového disku je tlustá pouze několik mikrometrů a mezi rozhraním polovodič-vzduch a spodním rozloženým Braggovým reflektorem je vytvořena Fabry-Perotova mikrodutina. Zacházení s polovodičovou mikrodutinou jako s vestavěným spektrálním filtrem čipu bude modulovat zisk kvantové jámy. Zároveň se efekt filtrování mikrodutin a zisk polovodiče liší teplotními drifty. V kombinaci s regulací teploty lze dosáhnout přepínání a regulace výstupních vlnových délek. Na základě těchto charakteristik tým vypočítal a nastavil vrchol zisku kvantové jámy na 950 nm při teplotě 300 K, přičemž teplotní drift vlnové délky zisku je přibližně 0,37 nm/K. Následně tým navrhl podélný omezující faktor čipu pomocí metody transmisní matice s vrcholovými vlnovými délkami přibližně 960 nm a 1000 nm. Simulace ukázaly, že teplotní drift byl pouze 0,08 nm/K. Použitím technologie chemické depozice z plynné fáze na bázi organokovů pro epitaxní růst a neustálou optimalizací procesu růstu byly úspěšně vyrobeny vysoce kvalitní čipy se ziskem. Výsledky měření fotoluminiscence jsou zcela v souladu s výsledky simulace. Pro zmírnění tepelného zatížení a dosažení vysokého přenosu výkonu byl dále vyvinut proces balení polovodičových diamantových čipů.
Po dokončení balení čipu provedl tým komplexní posouzení výkonu laseru. V režimu kontinuálního provozu lze řízením výkonu pumpy nebo teploty chladiče flexibilně nastavit vlnovou délku emise mezi 960 nm a 1000 nm. Pokud je výkon pumpy v určitém rozsahu, může laser dosáhnout provozu s dvojitou vlnovou délkou s vlnovým intervalem až 39,4 nm. V tomto okamžiku dosahuje maximální výkon kontinuální vlny 3,8 W. Laser zároveň pracuje v základním režimu poblíž difrakčního limitu s faktorem kvality paprsku M² pouze 1,1 a jasem až přibližně 310 MW/cm²sr. Tým také provedl výzkum výkonu kvazikontinuální vlny.laserSignál součtové frekvence byl úspěšně pozorován vložením nelineárního optického krystalu LiB₃O₅ do rezonanční dutiny, což potvrdilo synchronizaci duálních vlnových délek.
Díky tomuto důmyslnému designu čipu bylo dosaženo organické kombinace kvantové filtrace zisku a filtrace mikrodutin, což položilo základy pro realizaci dvoubarevných laserových zdrojů. Z hlediska výkonnostních ukazatelů dosahuje tento jednočipový dvoubarevný laser vysokého jasu, vysoké flexibility a přesného koaxiálního výstupu paprsku. Jeho jas je na mezinárodní úrovni v současné oblasti jednočipových dvoubarevných polovodičových laserů. Z hlediska praktického využití se očekává, že tento úspěch efektivně zvýší přesnost detekce a schopnost odrušit vícebarevný lidar ve složitých prostředích díky využití jeho vysokého jasu a dvoubarevných charakteristik. V oblasti optických frekvenčních hřebenů může jeho stabilní výstup ve dvou vlnových délkách poskytnout klíčovou podporu pro aplikace, jako je přesné spektrální měření a optické snímání s vysokým rozlišením.
Čas zveřejnění: 23. září 2025