Hiljuti on pooljuhtlaserite meeskond, kuhu kuuluvad riikliku kaitsetehnoloogia ülikooli interdistsiplinaarsete teaduste kool ja Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd., teinud märkimisväärseid edusamme kahevärviliste pooljuhtlaserite uurimisel. Leiud pealkirjaga "Monoliitne 960/1000 nm bi-värviline pooljuhtketaslaser tagab heleduse üle 300 MW/cm²sr" avaldati ajakirjas ACS Photonics. Esimese autorina oli USTC abiteadur Zhang Zhicheng, vastavateks autoriteks professorid Wang Jun ja Zhang Chao Fan.
Viimastel aastatel on tähelepanu pälvinud pooljuhtketaslaserid (SDL), mida tuntakse ka vertikaalse{0}}õõnsusega pinna-kiirgavate laseritena (VECSEL). Kombineerides pooljuhtvõimenduse ja pooljuhtresonaatorite eeliseid, ületavad need tõhusalt tavapäraste ühemoodi-pooljuhtlaserite emissiooniala piirangud, pakkudes samal ajal paindlikku pooljuhtide ribalaiuse disaini ja kõrgeid materjali võimendusomadusi. Nad leiavad rakendusi paljudes stsenaariumides, sealhulgas madala-müraga kitsa-joonelaiusega laserväljund, ülikiire-kordussagedusega-impulsi genereerimine, kõrge{10}}harmoonikute genereerimine ja naatriumi juhttähtede tehnoloogia. Arenev tehnoloogia nõuab suuremat lainepikkuse paindlikkust. Kahe-lainepikkusega koherentsed allikad näitavad tohutut potentsiaali esilekerkivates väljades, nagu segamisvastane lidar, holograafiline interferomeetria, lainepikkusjaotusega multipleksimine, keskmise-infrapuna või terahertsi genereerimine ja mitmevärvilised optilise sagedusega kammid. Kõrge-heledusega-kahe lainepikkusega emissiooni saavutamine ja lainepikkuste vahelise võimenduskonkurentsi mahasurumine on pooljuhtketaslaserite puhul endiselt suur väljakutse.
Selle väljakutse lahendamiseks pakkus pooljuhtlaserite meeskond välja uuendusliku kiibi disaini. Põhjalike arvuliste uuringute käigus avastasid nad, et temperatuurist sõltuva kvantkaevude filtreerimise ja pooljuhtide mikroõõnsuse filtreerimise efektide täpne reguleerimine võib võimaldada paindlikku kahekordset-värvivõimenduse reguleerimist. Sellele toetudes kujundas meeskond edukalt suure-heleduse suurendamise kiibi, mis töötab lainepikkusel 960/1000 nm. See laser töötab peaaegu-difraktsiooniga-piiratud põhirežiimis, saavutades väljundi heleduse ligikaudu 310 mW/cm²sr.
Teadusuuringute uuendused
Joonis 1: suure-heledusega kahe-lainepikkusega pooljuhtvõimenduse kiibi disain
Pooljuhtvahvli võimenduskiht on vaid mõne mikromeetri paksune, moodustades Fabry{0}}Perot' mikroõõnsuse pooljuht-õhuliidese ja substraadil hajutatud Braggi reflektori vahel. Pooljuhtide mikroõõnsuse käsitlemine integreeritud spektraalfiltrina moduleerib kvantkaevu võimendust. Samal ajal on mikroõõnsuse filtreerimisefektil ja pooljuhtide võimendusel erinev temperatuuri triivi kiirus. Koos temperatuuri reguleerimisega võimaldab see lülitada ja reguleerida väljundlainepikkust. Neid omadusi võimendades seadis meeskond arvutuslikult kvantkaevu võimenduse piigi 950 nm juures 300 K juures, võimenduse lainepikkuse temperatuuri triivi kiirusega ligikaudu 0,37 nm/K. Seejärel kasutas meeskond ülekandemaatriksi meetodit, et kujundada kiibi pikisuunalised piiramistegurid, saavutades tipplainepikkused ligikaudu 960 nm ja 1000 nm. Simulatsioonid näitasid temperatuuri triivi kiirust vaid 0,08 nm/K. Kasutades epitaksiaalseks kasvuks metall{15}}orgaanilist keemilist aurustamise sadestamist (MOCVD), valmistas meeskond protsessi pideva optimeerimise abil edukalt kvaliteetseid{16}kiipe. Fotoluminestsentsi mõõtmised vastasid täielikult simulatsiooni tulemustele. Soojuskoormuse leevendamiseks ja suure võimsusega{19}}töö võimaldamiseks arendati edasi pooljuht{20}teemantkiibi pakkimisprotsessi.
Pooljuhtide võimenduse kiibi väljundkarakteristikute põhjalik analüüs
Pärast kiibi pakkimist hindas meeskond selle laseri jõudlust põhjalikult. Pidevas töörežiimis saab emissiooni lainepikkust paindlikult häälestada vahemikus 960 nm kuni 1000 nm, reguleerides pumba võimsust või jahutusradiaatori temperatuuri. Konkreetse pumba võimsusvahemiku piires saavutas laser ka kahe-lainepikkuse töö lainepikkuste vahega 39,4 nm, saavutades maksimaalse pideva-lainevõimsuse 3,8 W. Samal ajal säilitas laser peaaegu-difraktsiooni{10}}piiratud põhikvaliteediteguriga töötamise umbes 1 M² ja ainult 1 a. 310 MW/cm²sr. Meeskond uuris ka laseri kvaasi{14}}pideva laine jõudlust. Sisestades resonaatori õõnsusse LiB₃O₅ mittelineaarse optilise kristalli, jälgisid nad edukalt summa{16}}sagedussignaale, mis kinnitas mõlema lainepikkuse sünkroniseerimist.
See geniaalne kiibikujundus saavutab kvantkaevu võimenduse filtreerimise ja mikroõõnsuse filtreerimise orgaanilise integratsiooni, pannes konstruktsiooni aluse kahe lainepikkusega laserallikate realiseerimiseks. Toimivusmõõdikute osas saavutab see monoliitne kahe{2}}lainepikkusega laser suure heleduse, suure paindlikkuse ja täpse koaksiaalkiire väljundi. Selle heledus on praeguses monoliitsete kahelainepikkusega pooljuhtlaserite valdkonnas maailma tipptasemel. Praktiliste rakenduste jaoks on see saavutus mitmevärvilistes lidarsüsteemides paljulubav. Kasutades ära oma kõrget heledust ja kahe{8}}lainepikkuse omadusi, võib see tõhusalt parandada radari tuvastamise täpsust ja häiretevastast{9}}võimet keerukates keskkondades. Optilise sagedusega kammrakendustes pakub selle stabiilne{11}}kahellainepikkusega väljund kriitilist tuge täpseteks spektraalmõõtmisteks ja kõrge eraldusvõimega optiliseks tuvastamiseks. Tulevikku vaadates kavatseb meeskond oma uurimistööd süvendada. Ühest küljest on nende eesmärk välja töötada elektro{15}}pumbaga seadmeid, optimeerides parameetreid, nagu elektroodide mõõtmed ja doping, et suurendada ühe{16}režiimi võimsust. Teisel juhul uurivad nad uudseid elektro-pumbatud fotoonkristallpinda{19}}kiirgavaid pooljuhtlasereid.
