For nylig har et halvlederlaserhold bestående af School of Interdisciplinary Sciences ved National University of Defense Technology og Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology Co., Ltd. gjort betydelige fremskridt inden for dobbelt-farvehalvlederlaserforskning. Resultaterne, med titlen "Monolithic 960/1000nm bi-farvet halvlederdisklaser leverer en lysstyrke på over 300MW/cm²sr," blev offentliggjort i ACS Photonics. Zhang Zhicheng, en assisterende forsker ved USTC, fungerede som den første forfatter, med professorerne Wang Jun og Zhang Chao Fan som tilsvarende forfattere.
Halvlederdisklasere (SDL'er), også kendt som vertikale-cavity surface-emitterende lasere (VECSEL'er), har fået stor opmærksomhed i de seneste år. Ved at kombinere fordelene ved halvlederforstærkning og solid{3}}resonatorer overvinder de effektivt emissionsarealbegrænsningerne ved konventionelle enkelt--mode halvlederlasere, mens de tilbyder fleksibelt design af halvlederbåndgab og høje materialeforstærkningsegenskaber. De finder applikationer i adskillige scenarier, herunder lav-støj, smal-linjebredde-laseroutput, ultrahurtig høj-gentagelses-pulsgenerering, høj-harmonisk generering og natriumguidestjerneteknologi. Avanceret teknologi kræver større bølgelængdefleksibilitet. Kohærente kilder med dobbelt-bølgelængde demonstrerer et enormt potentiale inden for nye områder som anti-jamming lidar, holografisk interferometri, bølgelængdemultipleksende kommunikation, mellem-infrarød eller terahertzgenerering og flerfarvede optiske frekvenskamme. At opnå høj-lysstyrke med dobbelt-bølgelængdeemission og samtidig undertrykke forstærkningskonkurrence mellem bølgelængder er fortsat en betydelig udfordring i halvlederdisklasere.
For at løse denne udfordring foreslog halvlederlaserteamet et innovativt chipdesign. Gennem-dybdegående numeriske undersøgelser opdagede de, at præcis kontrol af temperatur-afhængig kvantebrøndforstærkningsfiltrering og halvledermikrohulrumsfiltreringseffekter kunne muliggøre fleksibel dobbelt-farveforstærkningsregulering. Med udgangspunkt i dette har teamet udviklet en chip med høj-lysstyrke, der arbejder ved 960/1000 nm. Denne laser fungerer i næsten-diffraktion-begrænset fundamental tilstand og opnår en udgangslysstyrke på ca. 310 mW/cm²sr.
Forskning Innovations
Figur 1: Høj-lysstyrke dobbelt-bølgelængde halvlederforstærkningschipdesign
Halvlederwaferforstærkningslaget er kun et par mikrometer tykt og danner et Fabry-Perot-mikrohulrum mellem halvleder-luftgrænsefladen og den distribuerede Bragg-reflektor ved substratet. Behandling af halvledermikrohulrummet som et integreret spektralfilter modulerer kvantebrøndforstærkningen. Samtidig udviser mikrokavitetsfiltreringseffekten og halvlederforstærkningen distinkte temperaturdriftshastigheder. Kombineret med temperaturstyring muliggør dette omskiftning og regulering af udgangsbølgelængden. Ved at udnytte disse egenskaber satte holdet beregningsmæssigt kvantebrøndens forstærkningstop til 950 nm ved 300 K med en forstærkningsbølgelængdetemperaturdrifthastighed på cirka 0,37 nm/K. Efterfølgende brugte holdet overførselsmatrixmetoden til at designe chippens langsgående indeslutningsfaktorer, hvilket opnåede maksimale bølgelængder på cirka 960 nm og 1000 nm. Simuleringer afslørede en temperaturdrifthastighed på kun 0,08 nm/K. Ved hjælp af metal-organisk kemisk dampaflejring (MOCVD) til epitaksial vækst har teamet med succes fremstillet høj-forstærkningschips af høj kvalitet gennem kontinuerlig procesoptimering. Fotoluminescensmålinger matchede fuldt ud simuleringsresultaterne. For at mindske termisk belastning og muliggøre drift med høj-effekt blev en halvleder-diamantchip-pakkeproces udviklet yderligere.
Omfattende analyse af halvlederforstærkningschipoutputkarakteristika
Efter chippakning gennemførte holdet en omfattende evaluering af dets laserydelse. I kontinuerlig driftstilstand kan emissionsbølgelængden fleksibelt indstilles mellem 960 nm og 1000 nm ved at styre pumpeeffekten eller kølepladens temperatur. Inden for et specifikt pumpeeffektområde opnåede laseren også dobbelt-bølgelængdeoperation med en bølgelængdeafstand på 39,4 nm og nåede en maksimal kontinuerlig-bølgeeffekt på 3,8 W. Samtidig opretholdt laseren næsten-diffraktion-begrænset strålekvalitetsfaktor på ca. 310 MW/cm²sr. Holdet undersøgte også laserens quasi-kontinuerlige bølgeydelse. Ved at indsætte en LiB3O₅ ikke-lineær optisk krystal i resonatorhulrummet observerede de med succes sum-frekvenssignaler, hvilket bekræftede synkroniseringen af begge bølgelængder.
Dette geniale chipdesign opnår en organisk integration af kvantebrøndforstærkningsfiltrering og mikrokavitetsfiltrering, hvilket lægger designgrundlaget for realisering af laserkilder med to-bølgelængder. Med hensyn til ydeevnemålinger opnår denne monolitiske dobbelt-bølgelængdelaser høj lysstyrke, høj fleksibilitet og præcis koaksial stråleoutput. Dens lysstyrke er blandt verdens førende niveauer inden for det nuværende område af monolitiske halvlederlasere med dobbelt-bølgelængde. Til praktiske anvendelser lover denne præstation i multi-lidar-systemer. Ved at udnytte sin høje lysstyrke og dobbelte-bølgelængdeegenskaber kan den effektivt forbedre radardetektionsnøjagtigheden og anti-interferensegenskaber i komplekse miljøer. I optiske frekvenskamapplikationer giver dens stabile dobbelte-bølgelængdeoutput kritisk støtte til præcise spektrale målinger og optisk registrering i høj-opløsning. Holdet ser fremad og planlægger at uddybe deres forskning. På den ene front sigter de mod at udvikle elektro-pumpede enheder ved at optimere parametre såsom elektrodedimensioner og doping for yderligere at øge single-effekten. På en anden vil de udforske nye elektro-pumpede fotoniske krystaloverflader-emitterende halvlederlasere.
