Nghiên cứu mới nhất về laser bán dẫn hai màu

Nghiên cứu mới nhất về laser bán dẫn hai màu

Laser đĩa bán dẫn (laser SDL), còn được gọi là laser phát xạ bề mặt khoang ngoài thẳng đứng (VECSEL), đã thu hút nhiều sự chú ý trong những năm gần đây. Nó kết hợp những ưu điểm của độ lợi bán dẫn và bộ cộng hưởng thể rắn. Nó không chỉ giảm thiểu hiệu quả hạn chế diện tích phát xạ của laser bán dẫn thông thường sử dụng chế độ đơn mode, mà còn sở hữu thiết kế khe hở bán dẫn linh hoạt và đặc tính độ lợi vật liệu cao. Nó có thể được ứng dụng trong nhiều tình huống khác nhau, chẳng hạn như ứng dụng có độ nhiễu thấp.laser có độ rộng vạch hẹpĐầu ra, tạo xung lặp lại cực ngắn, tạo sóng hài bậc cao, và công nghệ sao dẫn hướng natri, v.v. Với sự tiến bộ của công nghệ, những yêu cầu ngày càng cao về tính linh hoạt của bước sóng đã được đặt ra. Ví dụ, các nguồn sáng kết hợp hai bước sóng đã chứng minh được giá trị ứng dụng cực kỳ cao trong các lĩnh vực mới nổi như lidar chống nhiễu, giao thoa kế toàn ký, truyền thông ghép kênh phân chia bước sóng, tạo hồng ngoại trung bình hoặc terahertz, và lược tần số quang học đa màu. Làm thế nào để đạt được phát xạ hai màu độ sáng cao trong laser đĩa bán dẫn và triệt tiêu hiệu quả sự cạnh tranh khuếch đại giữa các bước sóng khác nhau luôn là một thách thức nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Gần đây, một màu képlaser bán dẫnNhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã đề xuất một thiết kế chip cải tiến để giải quyết thách thức này. Thông qua nghiên cứu số chuyên sâu, họ nhận thấy rằng việc điều chỉnh chính xác hiệu ứng lọc khuếch đại giếng lượng tử liên quan đến nhiệt độ và lọc khoang vi mô bán dẫn dự kiến ​​sẽ đạt được khả năng kiểm soát linh hoạt độ khuếch đại hai màu. Dựa trên điều này, nhóm đã thiết kế thành công một chip khuếch đại độ sáng cao 960/1000 nm. Laser này hoạt động ở chế độ cơ bản gần giới hạn nhiễu xạ, với độ sáng đầu ra lên tới khoảng 310 MW/cm²sr.

Lớp khuếch đại của đĩa bán dẫn chỉ dày vài micromet và một khoang vi mô Fabry-Perot được hình thành giữa giao diện bán dẫn-không khí và bộ phản xạ Bragg phân tán ở phía dưới. Việc coi khoang vi mô bán dẫn như bộ lọc phổ tích hợp của chip sẽ điều chế độ khuếch đại của giếng lượng tử. Trong khi đó, hiệu ứng lọc khoang vi mô và độ khuếch đại bán dẫn có tốc độ trôi nhiệt độ khác nhau. Kết hợp với kiểm soát nhiệt độ, có thể đạt được việc chuyển mạch và điều chỉnh bước sóng đầu ra. Dựa trên các đặc điểm này, nhóm đã tính toán và đặt đỉnh khuếch đại của giếng lượng tử ở 950 nm ở nhiệt độ 300 K, với tốc độ trôi nhiệt độ của bước sóng khuếch đại xấp xỉ 0,37 nm/K. Sau đó, nhóm đã thiết kế hệ số ràng buộc dọc của chip bằng phương pháp ma trận truyền, với bước sóng đỉnh lần lượt là xấp xỉ 960 nm và 1000 nm. Các mô phỏng cho thấy tốc độ trôi nhiệt độ chỉ là 0,08 nm/K. Bằng cách sử dụng công nghệ lắng đọng hơi hóa học kim loại hữu cơ cho quá trình tăng trưởng epitaxial và liên tục tối ưu hóa quá trình tăng trưởng, các chip khuếch đại chất lượng cao đã được chế tạo thành công. Kết quả đo phát quang hoàn toàn phù hợp với kết quả mô phỏng. Để giảm tải nhiệt và đạt được khả năng truyền tải công suất cao, quy trình đóng gói chip bán dẫn-kim cương đã được phát triển thêm.

Sau khi hoàn tất việc đóng gói chip, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá toàn diện hiệu suất laser. Ở chế độ hoạt động liên tục, bằng cách điều khiển công suất bơm hoặc nhiệt độ tản nhiệt, bước sóng phát xạ có thể được điều chỉnh linh hoạt trong khoảng từ 960 nm đến 1000 nm. Khi công suất bơm nằm trong một phạm vi nhất định, laser cũng có thể hoạt động ở chế độ bước sóng kép, với khoảng cách bước sóng lên đến 39,4 nm. Lúc này, công suất sóng liên tục tối đa đạt 3,8 W. Trong khi đó, laser hoạt động ở chế độ cơ bản gần giới hạn nhiễu xạ, với hệ số chất lượng chùm tia M² chỉ 1,1 và độ sáng lên tới khoảng 310 MW/cm²sr. Nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành nghiên cứu về hiệu suất sóng gần liên tục của laser.tia laser. Tín hiệu tần số tổng đã được quan sát thành công bằng cách đưa tinh thể quang học phi tuyến tính LiB₃O₅ vào khoang cộng hưởng, xác nhận sự đồng bộ của hai bước sóng.

Nhờ thiết kế chip thông minh này, sự kết hợp hữu cơ giữa bộ lọc khuếch đại giếng lượng tử và bộ lọc khoang vi mô đã đạt được, đặt nền tảng thiết kế cho việc hiện thực hóa các nguồn laser hai màu. Về chỉ số hiệu suất, laser hai màu đơn chip này đạt được độ sáng cao, tính linh hoạt cao và đầu ra chùm tia đồng trục chính xác. Độ sáng của nó ở mức hàng đầu quốc tế trong lĩnh vực laser bán dẫn hai màu đơn chip hiện tại. Về mặt ứng dụng thực tế, thành tựu này được kỳ vọng sẽ nâng cao hiệu quả độ chính xác phát hiện và khả năng chống nhiễu của lidar đa màu trong các môi trường phức tạp bằng cách tận dụng các đặc tính độ sáng cao và hai màu của nó. Trong lĩnh vực lược tần số quang học, đầu ra bước sóng kép ổn định của nó có thể cung cấp hỗ trợ quan trọng cho các ứng dụng như đo phổ chính xác và cảm biến quang học độ phân giải cao.