Neseniai puslaidininkinių lazerių komanda, kurią sudaro Nacionalinio gynybos technologijos universiteto Tarpdisciplininių mokslų mokykla ir Sudžou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd., padarė didelę pažangą dviejų spalvų puslaidininkių lazerių tyrimų srityje. Išvados, pavadintos „Monolitinis 960/1000 nm bi-spalvinis puslaidininkinis diskinis lazeris užtikrina didesnį nei 300 MW/cm²sr ryškumą“, buvo paskelbti ACS Photonics. Zhang Zhicheng, USTC tyrėjo padėjėjas, buvo pirmasis autorius, o atitinkami autoriai buvo profesoriai Wang Jun ir Zhang Chao Fan.
Puslaidininkiniai diskiniai lazeriai (SDL), taip pat žinomi kaip vertikalių{0}}ertmių paviršiaus-spinduliavimo lazeriai (VECSEL), pastaraisiais metais sulaukė didelio dėmesio. Sujungę puslaidininkių stiprinimo ir kietojo -kūno rezonatorių pranašumus, jie efektyviai įveikia įprastų vienmodžių puslaidininkinių lazerių spinduliuotės srities apribojimus, tuo pačiu siūlo lanksčią puslaidininkių juostos tarpo konstrukciją ir dideles medžiagos stiprinimo charakteristikas. Jie randa pritaikymo įvairiuose scenarijuose, įskaitant mažo-triukšmo siauro-linijos pločio lazerio išvestį, itin greitą-pasikartojimo-impulsų generavimą, aukštą{10}}harmonijos generavimą ir natrio vadovaujančios žvaigždės technologiją. Tobulėjančios technologijos reikalauja didesnio bangos ilgio lankstumo. Dviejų-bangos ilgių koherentiniai šaltiniai demonstruoja didžiulį potencialą atsirandančiose srityse, pvz., anti-trukdymo lidar, holografinė interferometrija, bangos ilgio padalijimo tankinimas, vidutinio-infraraudonųjų spindulių arba terahercų generavimas ir daugiaspalvės optinio dažnio šukos. Didelio -ryškumo dvigubo-bangos ilgio spinduliavimas, slopinant bangos ilgių konkurenciją, išlieka didelis iššūkis puslaidininkinių diskinių lazerių srityje.
Siekdama išspręsti šį iššūkį, puslaidininkinių lazerių komanda pasiūlė naujovišką lusto dizainą. Atlikę išsamius-skaitinius tyrimus, jie išsiaiškino, kad tiksliai kontroliuojant nuo temperatūros-priklausomą kvantinio šulinio filtravimo ir puslaidininkių mikroertmės filtravimo efektus galima lanksčiai reguliuoti dvigubą-spalvų stiprinimą. Remdamasi tuo, komanda sėkmingai sukūrė didelio-šviesumo didinimo lustą, veikiantį 960/1000 nm. Šis lazeris veikia beveik -difrakcijos{10}}ribotu pagrindiniu režimu ir pasiekia maždaug 310 mW/cm²sr išėjimo ryškumą.
Mokslinių tyrimų naujovės
1 paveikslas: didelio-ryškumo dvigubo-bangos ilgio puslaidininkio stiprinimo lusto konstrukcija
Puslaidininkinės plokštelės stiprinimo sluoksnis yra tik kelių mikrometrų storio, sudarydamas Fabry{0}}Perot mikroertmę tarp puslaidininkio-oro sąsajos ir paskirstyto Bragg reflektoriaus prie pagrindo. Puslaidininkio mikroertmės apdorojimas kaip integruotas spektrinis filtras moduliuoja kvantinio šulinio stiprinimą. Tuo pačiu metu mikroertmės filtravimo efektas ir puslaidininkio padidėjimas pasižymi skirtingu temperatūros dreifu. Kartu su temperatūros valdymu tai leidžia perjungti ir reguliuoti išėjimo bangos ilgį. Išnaudodama šias savybes, komanda skaičiavimo būdu nustatė kvantinio šulinio stiprinimo smailę ties 950 nm esant 300 K, o bangos ilgio temperatūros dreifo greitis buvo maždaug 0,37 nm/K. Vėliau komanda panaudojo perdavimo matricos metodą, kad suprojektuotų lusto išilginius izoliacijos veiksnius, pasiekdami maždaug 960 nm ir 1000 nm bangos ilgius. Modeliavimas atskleidė tik 0,08 nm/K temperatūros dreifo greitį. Naudodama metalo{15}organinį cheminį nusodinimą garais (MOCVD) epitaksiniam augimui, komanda sėkmingai pagamino aukštos{16}kokybės stiprinimo lustus, nuolat optimizuodama procesą. Fotoliuminescencijos matavimai visiškai atitiko modeliavimo rezultatus. Siekiant sumažinti šiluminę apkrovą ir užtikrinti didelės galios veikimą, buvo toliau plėtojamas puslaidininkių{20}deimantinių lustų pakavimo procesas.
Išsami puslaidininkių stiprinimo lusto išėjimo charakteristikų analizė
Po lusto supakavimo komanda atliko išsamų lazerio veikimo įvertinimą. Nepertraukiamo veikimo režimu spinduliuotės bangos ilgį galima lanksčiai reguliuoti tarp 960 nm ir 1000 nm, valdant siurblio galią arba šilumos kriauklės temperatūrą. Tam tikrame siurblio galios diapazone lazeris taip pat pasiekė dvigubą 310 MW/cm²sr. Komanda taip pat ištyrė lazerio beveik{14}}nepertraukiamų bangų veikimą. Į rezonatoriaus ertmę įkišę LiB₃O5 netiesinį optinį kristalą, jie sėkmingai stebėjo suminio dažnio signalus, patvirtinančius abiejų bangos ilgių sinchronizavimą.
Šis išradingas lusto dizainas užtikrina organinį kvantinio šulinio stiprinimo filtravimo ir mikroertmių filtravimo integravimą, padėdamas dizaino pagrindą dviejų bangos ilgio lazerių šaltiniams. Kalbant apie našumo metriką, šis monolitinis dvigubo-bangos ilgio lazeris užtikrina didelį ryškumą, didelį lankstumą ir tikslią bendraašio pluošto išvestį. Jo ryškumas yra vienas iš pirmaujančių pasaulyje monolitinių dvigubo{4}}bangos ilgio puslaidininkių lazerių srityje. Kalbant apie praktinį pritaikymą, šis pasiekimas yra daug žadantis kelių-spalvų lidar sistemose. Išnaudodamas savo didelį ryškumą ir dvigubas{8}}bangos ilgio charakteristikas, jis gali efektyviai padidinti radaro aptikimo tikslumą ir anti-trukdžius sudėtingose aplinkose. Naudojant optinio dažnio šukas, jo stabili dvigubo{11}}bangos ilgio išvestis yra labai svarbi tiksliam spektriniam matavimui ir didelės{12}}raiškos optiniam jutimui. Žvelgdama į ateitį, komanda planuoja pagilinti savo tyrimus. Viena vertus, jie siekia sukurti elektro-siurbiamuosius įrenginius optimizuodami parametrus, pvz., elektrodų matmenis ir dopingą, kad dar labiau padidintų vieno režimo galią. Kita vertus, jie tyrinės naujus elektro{18}}pumpuojamus fotoninių kristalų paviršių-spinduliuojančius puslaidininkinius lazerius.
