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 khuếch đại bán dẫn và bộ cộng hưởng trạng thái rắn. Nó không chỉ khắc phục hiệu quả hạn chế về diện tích phát xạ của chế độ đơn mode đối với các laser bán dẫn thông thường, mà còn có thiết kế khe hở băng tần bán dẫn linh hoạt và đặc tính khuếch đại vật liệu cao. Nó có thể được thấy trong nhiều kịch bản ứng dụng, chẳng hạn như độ nhiễu thấp.laser có độ rộng vạch hẹpCác ứng dụng của laser đĩa bán dẫn bao gồm: tạo xung siêu ngắn với tần số lặp lại cao, tạo sóng hài bậc cao và công nghệ sao dẫn hướng natri, v.v. Với sự tiến bộ của công nghệ, các yêu cầu cao hơn đã được đặt ra đối với tính linh hoạt về bước sóng. Ví dụ, các nguồn sáng kết hợp hai bước sóng đã chứng minh giá trị ứng dụng cực kỳ cao trong các lĩnh vực mới nổi như lidar chống nhiễu, giao thoa kế toàn ảnh, truyền thông ghép kênh phân chia bước sóng, tạo tia hồng ngoại giữa hoặc terahertz, và lược tần số quang học đa màu. Làm thế nào để đạt được phát xạ hai màu có độ sáng cao trong laser đĩa bán dẫn và triệt tiêu hiệu quả sự cạnh tranh khuếch đại giữa nhiều bước sóng luôn là một khó khăn nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Gần đây, một chiếc xe hai màu đã xuất hiện.laser bán dẫnMột nhóm nghiên cứu tại Trung Quốc đã đề xuất một thiết kế chip đột phá để giải quyết thách thức này. Thông qua nghiên cứu số học 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 hiệu ứng lọc vi khoang bán dẫn có thể giúp kiểm soát linh hoạt độ khuếch đại hai màu. Dựa trên cơ sở này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế thành công 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 cao tới khoảng 310 MW/cm²sr.

Lớp khuếch đại của đĩa bán dẫn chỉ dày vài micromet, và một vi khoang Fabry-Perot được hình thành giữa giao diện bán dẫn-không khí và bộ phản xạ Bragg phân bố ở đáy. Việc coi vi khoang bán dẫn như bộ lọc quang phổ tích hợp của chip sẽ điều chỉnh độ khuếch đại của giếng lượng tử. Đồng thời, hiệu ứng lọc của vi khoang và độ khuếch đại của bán dẫn có tốc độ trôi nhiệt độ khác nhau. Kết hợp với việc kiểm soát nhiệt độ, có thể đạt được việc chuyển mạch và điều chỉnh bước sóng đầu ra. Dựa trên những đặc điểm này, nhóm nghiên cứu đã tính toán và thiết lập 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 nghiên cứu đã thiết kế hệ số ràng buộc theo chiều dọc của chip bằng phương pháp ma trận truyền dẫn, với bước sóng đỉnh lần lượt là khoảng 960 nm và 1000 nm. 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 (MOCVD) để tăng trưởng lớp màng mỏng và liên tục tối ưu hóa quy trình tăng trưởng, các chip khuếch đại chất lượng cao đã được chế tạo thành công. Kết quả đo quang 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 hơn nữa.

Sau khi hoàn thành việc đóng gói chip, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá toàn diện hiệu năng laser của nó. 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 cụ thể, laser cũng có thể đạt được hoạt động hai bước sóng, với khoảng cách bước sóng lên đến 39,4 nm. Lúc này, công suất sóng liên tục tối đa đạt 3,8 W. Đồng thời, laser hoạt động ở chế độ cơ bản gần giới hạn nhiễu xạ, với hệ số chất lượng chùm tia M² chỉ là 1,1 và độ sáng cao khoảng 310 MW/cm²sr. Nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành nghiên cứu về hiệu năng sóng bán liên tục của laser.tia laserTín hiệu tần số tổng đã được quan sát thành công bằng cách đưa tinh thể quang học phi tuyến LiB₃O₅ vào khoang cộng hưởng, xác nhận sự đồng bộ của hai bước sóng.

Thông qua thiết kế chip khéo léo này, sự kết hợp hữu cơ giữa lọc khuếch đại giếng lượng tử và lọc vi khoang đã được thực hiện, tạo nền tảng thiết kế cho việc hiện thực hóa các nguồn laser hai màu. Về các 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 đạt mức hàng đầu quốc tế trong lĩnh vực laser bán dẫn hai màu đơn chip hiện nay. Về ứng dụng thực tiễn, 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 môi trường phức tạp bằng cách tận dụng độ sáng cao và đặc tính hai màu của nó. Trong lĩnh vực lược tần quang học, đầu ra hai bước sóng ổn định của nó có thể hỗ trợ quan trọng cho các ứng dụng như đo phổ chính xác và cảm biến quang học độ phân giải cao.