Het nieuwste onderzoek naar tweekleurige halfgeleiderlasers
Halfgeleiderschijflasers (SDL-lasers), ook bekend als verticale externe holte oppervlakte-emitterende lasers (VECSEL), hebben de laatste jaren veel aandacht getrokken. Ze combineren de voordelen van halfgeleiderversterking en vaste-stofresonatoren. Ze verlichten niet alleen effectief de emissieoppervlaktebeperking van single-mode-ondersteuning voor conventionele halfgeleiderlasers, maar beschikken ook over een flexibel halfgeleiderbandgapontwerp en hoge materiaalversterkingseigenschappen. Ze zijn te vinden in een breed scala aan toepassingsscenario's, zoals lage ruislaser met smalle lijnbreedteoutput, ultrakorte, hoog-repetitieve pulsgeneratie, hoog-orde harmonische generatie en natriumgeleiderstertechnologie, enz. Met de vooruitgang van de technologie worden hogere eisen gesteld aan de golflengteflexibiliteit. Zo hebben coherente lichtbronnen met twee golflengten een extreem hoge toepassingswaarde aangetoond in opkomende gebieden zoals anti-interferentie lidar, holografische interferometrie, golflengteverdelingsmultiplexing, mid-infrarood- of terahertz-generatie en meerkleurige optische frequentiekammen. Het bereiken van een hoge helderheid in tweekleurige emissie in halfgeleiderschijflasers en het effectief onderdrukken van versterkingsconcurrentie tussen meerdere golflengten is altijd een onderzoeksprobleem in dit vakgebied geweest.
Onlangs is er een tweekleurigehalfgeleiderlaserEen team in China heeft een innovatief chipontwerp voorgesteld om deze uitdaging aan te pakken. Door middel van diepgaand numeriek onderzoek ontdekten ze dat het nauwkeurig reguleren van de temperatuurgerelateerde quantum well gain filtering en halfgeleider microcavity filtering-effecten naar verwachting flexibele controle van de dual-color gain mogelijk maakt. Op basis hiervan ontwierp het team met succes een 960/1000 nm high-brightness gain chip. Deze laser werkt in de fundamentele modus nabij de diffractielimiet, met een outputhelderheid van maar liefst circa 310 MW/cm²sr.
De versterkingslaag van de halfgeleiderschijf is slechts enkele micrometers dik en er wordt een Fabry-Perot-microcaviteit gevormd tussen de halfgeleider-luchtinterface en de aan de onderkant verdeelde Bragg-reflector. Door de halfgeleider-microcaviteit te behandelen als het ingebouwde spectrale filter van de chip, wordt de versterking van de kwantumput gemoduleerd. Tegelijkertijd hebben het filtereffect van de microcaviteit en de versterking van de halfgeleider verschillende temperatuurdriftsnelheden. In combinatie met temperatuurregeling kan de omschakeling en regeling van de uitgangsgolflengten worden bereikt. Op basis van deze kenmerken berekende en stelde het team de versterkingspiek van de kwantumput in op 950 nm bij een temperatuur van 300 K, waarbij de temperatuurdriftsnelheid van de versterkingsgolflengte ongeveer 0,37 nm/K bedroeg. Vervolgens ontwierp het team de longitudinale constraintfactor van de chip met behulp van de transmissiematrixmethode, met piekgolflengten van respectievelijk ongeveer 960 nm en 1000 nm. Simulaties lieten zien dat de temperatuurdriftsnelheid slechts 0,08 nm/K bedroeg. Door gebruik te maken van metaal-organische chemische dampdepositietechnologie voor epitaxiale groei en door het groeiproces continu te optimaliseren, werden met succes hoogwaardige gainchips geproduceerd. De meetresultaten van fotoluminescentie komen volledig overeen met de simulatieresultaten. Om de thermische belasting te verlichten en een hoge vermogenstransmissie te bereiken, is het verpakkingsproces voor halfgeleider-diamantchips verder ontwikkeld.
Na het voltooien van de chipverpakking voerde het team een uitgebreide beoordeling uit van de laserprestaties. In de continue modus kan de emissiegolflengte flexibel worden aangepast tussen 960 nm en 1000 nm door het pompvermogen of de temperatuur van het koellichaam te regelen. Wanneer het pompvermogen binnen een specifiek bereik ligt, kan de laser ook werken met twee golflengten, met een golflengte-interval tot 39,4 nm. Op dit moment bereikt het maximale continue golfvermogen 3,8 W. Ondertussen werkt de laser in de fundamentele modus nabij de diffractielimiet, met een bundelkwaliteitsfactor M² van slechts 1,1 en een helderheid van maar liefst circa 310 MW/cm²sr. Het team deed ook onderzoek naar de quasi-continue golfprestaties van delaserHet somfrequentiesignaal werd succesvol waargenomen door het niet-lineaire optische LiB₃O₅-kristal in de resonantieruimte te plaatsen, waarmee de synchronisatie van de twee golflengten werd bevestigd.
Dankzij dit ingenieuze chipontwerp is de organische combinatie van quantum well gain filtering en microcavity filtering bereikt, waarmee de basis is gelegd voor de realisatie van dual-color laserbronnen. Qua prestatie-indicatoren behaalt deze single-chip dual-color laser een hoge helderheid, hoge flexibiliteit en een nauwkeurige coaxiale bundeluitvoer. De helderheid is internationaal toonaangevend op het gebied van single-chip dual-color halfgeleiderlasers. Wat de praktische toepassing betreft, wordt verwacht dat deze prestatie de detectienauwkeurigheid en het anti-interferentievermogen van multi-color lidar in complexe omgevingen effectief zal verbeteren door de hoge helderheid en dual-color eigenschappen te benutten. Op het gebied van optische frequentiekammen kan de stabiele output over twee golflengten cruciale ondersteuning bieden voor toepassingen zoals nauwkeurige spectrale metingen en optische detectie met hoge resolutie.
Plaatsingstijd: 23-09-2025