המחקר העדכני ביותר על לייזרים מוליכים למחצה דו-צבעיים

המחקר העדכני ביותר על לייזרים מוליכים למחצה דו-צבעיים

לייזרי דיסק מוליכים למחצה (לייזרי SDL), הידועים גם כלייזרי פולטי משטח אנכיים בעלי חלל חיצוני (VECSEL), משכו תשומת לב רבה בשנים האחרונות. הם משלבים את היתרונות של הגבר מוליכים למחצה ומהודים במצב מוצק. הם לא רק מקלים ביעילות על מגבלת שטח הפליטה של ​​תמיכה במצב יחיד עבור לייזרים קונבנציונליים של מוליכים למחצה, אלא גם כוללים עיצוב גמיש של פער אנרגיה של מוליכים למחצה ומאפייני הגבר חומר גבוהים. ניתן לראות אותם במגוון רחב של תרחישי יישומים, כגון רעש נמוך.לייזר ברוחב קו צרפלט, יצירת פולסים קצרים במיוחד וחזרתיים גבוהים, יצירת הרמוניות מסדר גבוה, וטכנולוגיית כוכב מנחה נתרן, וכו'. עם התקדמות הטכנולוגיה, הועלו דרישות גבוהות יותר לגמישות אורך הגל שלהם. לדוגמה, מקורות אור קוהרנטיים בעלי אורכי גל כפולים הפגינו ערך יישום גבוה ביותר בתחומים מתפתחים כגון לידאר נגד הפרעות, אינטרפרומטריה הולוגרפית, תקשורת ריבוב חלוקת אורכי גל, יצירת אינפרא אדום בינוני או טרה-הרץ, ומסרק תדרים אופטי רב-צבעוני. כיצד להשיג פליטה כפולה בבהירות גבוהה בלייזרי דיסק מוליכים למחצה ולדכא ביעילות תחרות הגבר בין אורכי גל מרובים תמיד הייתה קושי מחקרי בתחום זה.

לאחרונה, דו-צבעונילייזר מוליך למחצהצוות בסין הציע עיצוב שבב חדשני כדי להתמודד עם אתגר זה. באמצעות מחקר נומרי מעמיק, הם גילו כי ויסות מדויק של סינון הגבר בארות קוונטיות הקשור לטמפרטורה וסינון מיקרו-חללים של מוליכים למחצה צפוי להשיג בקרה גמישה של הגבר כפול-צבע. בהתבסס על כך, הצוות תכנן בהצלחה שבב הגבר בעל בהירות גבוהה של 960/1000 ננומטר. לייזר זה פועל במצב בסיסי ליד גבול הדיפרקציה, עם בהירות פלט גבוהה של כ-310 מגה-וואט/סמ"ר.

שכבת ההגבר של דיסקת המוליך למחצה היא בעובי של כמה מיקרומטרים בלבד, ונוצר חלל מיקרו מסוג פברי-פרו בין ממשק המוליך למחצה-אוויר לבין מחזיר האור של בראג המבוזר בתחתית. התייחסות לחלל המיקרו של המוליך למחצה כאל המסנן הספקטרלי המובנה של השבב תווסת את ההגבר של הבאר הקוונטית. בינתיים, לאפקט סינון החללים המיקרויים ולהגבר המוליך למחצה יש קצבי סחיפה בטמפרטורה שונים. בשילוב עם בקרת טמפרטורה, ניתן להשיג מיתוג וויסות של אורכי גל הפלט. בהתבסס על מאפיינים אלה, הצוות חישב וקבע את שיא ההגבר של הבאר הקוונטית על 950 ננומטר בטמפרטורה של 300 קלווין, כאשר קצב סחיפה בטמפרטורה של אורך גל ההגבר הוא כ-0.37 ננומטר/קלווין. לאחר מכן, הצוות תכנן את גורם האילוץ האורכי של השבב באמצעות שיטת מטריצת ההולכה, עם אורכי גל שיא של כ-960 ננומטר ו-1000 ננומטר בהתאמה. סימולציות גילו שקצב סחיפה בטמפרטורה היה רק ​​0.08 ננומטר/קלווין. באמצעות טכנולוגיית שקיעת אדים כימית של מתכת-אורגנית לגידול אפיטקסיאלי ואופטימיזציה מתמשכת של תהליך הגידול, יוצרו בהצלחה שבבי הגבר איכותיים. תוצאות המדידה של פוטולומינסנציה עולות בקנה אחד לחלוטין עם תוצאות הסימולציה. כדי להקל על העומס התרמי ולהשיג העברת הספק גבוהה, פותח עוד יותר תהליך אריזת שבבי מוליכים למחצה-יהלום.

לאחר השלמת אריזת השבב, הצוות ערך הערכה מקיפה של ביצועי הלייזר שלו. במצב פעולה רציפה, על ידי שליטה על עוצמת המשאבה או טמפרטורת גוף הקירור, ניתן לכוונן את אורך הגל של הפליטה באופן גמיש בין 960 ננומטר ל-1000 ננומטר. כאשר עוצמת המשאבה נמצאת בטווח מסוים, הלייזר יכול גם להשיג פעולה בעלת אורכי גל כפולים, עם מרווח אורכי גל של עד 39.4 ננומטר. בשלב זה, עוצמת הגל הרציפה המרבית מגיעה ל-3.8 וואט. בינתיים, הלייזר פועל במצב בסיסי ליד גבול הדיפרקציה, עם גורם איכות קרן M² של 1.1 בלבד ובהירות גבוהה של כ-310 מגה-וואט/סמ"ר. הצוות גם ערך מחקר על ביצועי הגל הכמעט-רציף של ה...לייזראות התדר הכולל נצפה בהצלחה על ידי החדרת גביש אופטי לא לינארי LiB₃O₅ לחלל התהודה, מה שאישר את הסנכרון של אורכי הגל הכפולים.

באמצעות עיצוב שבב גאוני זה, הושג שילוב אורגני של סינון הגבר קוונטי וסינון מיקרו-חללים, מה שמניח את היסודות התכנוניים למימוש מקורות לייזר דו-צבעוניים. מבחינת מדדי ביצועים, לייזר דו-צבעוני זה בעל שבב יחיד משיג בהירות גבוהה, גמישות גבוהה ופלט קרן קואקסיאלית מדויק. בהירותו נמצאת ברמה הבינלאומית המובילה בתחום הנוכחי של לייזרים מוליכים למחצה דו-צבעוניים בעלי שבב יחיד. מבחינת יישום מעשי, הישג זה צפוי לשפר ביעילות את דיוק הגילוי ויכולת מניעת ההפרעות של לידאר רב-צבעוני בסביבות מורכבות על ידי מינוף הבהירות הגבוהה ומאפייני הדו-צבעוניות שלו. בתחום מסרקי התדרים האופטיים, הפלט היציב שלו בעל אורך גל כפול יכול לספק תמיכה מכרעת ליישומים כגון מדידה ספקטרלית מדויקת וחישה אופטית ברזולוציה גבוהה.