Новейшие исследования двухцветных полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые дисковые лазеры (SDL-лазеры), также известные как лазеры с вертикальным внешним резонатором (VECSEL), привлекают большое внимание в последние годы. Они сочетают в себе преимущества полупроводникового усиления и твердотельных резонаторов. Они не только эффективно устраняют ограничение площади излучения, характерное для одномодовых режимов традиционных полупроводниковых лазеров, но и отличаются гибкой конструкцией запрещенной зоны полупроводника и высокими характеристиками усиления материала. Они могут найти широкое применение, например, в малошумящих системах.лазер с узкой шириной линииВыходная мощность, генерация сверхкоротких импульсов с высокой частотой повторения, генерация гармоник высокого порядка, технология натриевых опорных звёзд и т. д. С развитием технологий предъявляются всё более высокие требования к гибкости длины волны. Например, двухволновые когерентные источники света продемонстрировали чрезвычайно высокую прикладную ценность в таких новых областях, как помехоустойчивые лидары, голографическая интерферометрия, связь с разделением по длине волны, генерация в среднем инфракрасном или терагерцовом диапазоне и многоцветные оптические частотные гребенки. Достижение высокой яркости двухцветного излучения в полупроводниковых дисковых лазерах и эффективное подавление конкуренции за усиление между несколькими длинами волн всегда было сложной исследовательской задачей в этой области.
Недавно появился двухцветныйполупроводниковый лазерГруппа учёных из Китая предложила инновационную конструкцию чипа для решения этой проблемы. Благодаря углублённым численным исследованиям они обнаружили, что точная регулировка температурно-зависимой фильтрации усиления квантовых ям и фильтрации полупроводниковых микрорезонаторов позволит обеспечить гибкое управление двухцветным усилением. На основе этого группа успешно разработала чип усиления с высокой яркостью 960/1000 нм. Этот лазер работает в основной моде вблизи дифракционного предела, обеспечивая выходную яркость до приблизительно 310 МВт/см²ср.
Усиливающий слой полупроводникового диска имеет толщину всего несколько микрометров, а между интерфейсом полупроводник-воздух и нижним распределенным брэгговским отражателем образован микрорезонатор Фабри-Перо. Использование полупроводникового микрорезонатора в качестве встроенного спектрального фильтра чипа будет модулировать коэффициент усиления квантовой ямы. Между тем, эффект фильтрации микрорезонатора и коэффициент усиления полупроводника имеют разные скорости температурного дрейфа. В сочетании с контролем температуры можно добиться переключения и регулирования выходных длин волн. Основываясь на этих характеристиках, группа рассчитала и установила пик усиления квантовой ямы на 950 нм при температуре 300 К, при этом скорость температурного дрейфа длины волны усиления составила приблизительно 0,37 нм/К. Впоследствии группа разработала продольный фактор ограничений чипа, используя метод матрицы пропускания, с пиковыми длинами волн приблизительно 960 нм и 1000 нм соответственно. Моделирование показало, что скорость температурного дрейфа составила всего 0,08 нм/К. Благодаря использованию технологии эпитаксиального роста методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений и постоянной оптимизации процесса роста были успешно изготовлены высококачественные усилительные кристаллы. Результаты измерений фотолюминесценции полностью соответствуют результатам моделирования. Для снижения тепловой нагрузки и достижения высокой пропускной способности была усовершенствована технология корпусирования кристаллов полупроводниково-алмазного типа.
После завершения сборки чипа команда провела комплексную оценку характеристик лазера. В непрерывном режиме работы, управляя мощностью накачки или температурой радиатора, можно гибко регулировать длину волны излучения в диапазоне от 960 до 1000 нм. При изменении мощности накачки в заданном диапазоне лазер также может работать в двухволновом режиме с интервалом длин волн до 39,4 нм. В этом режиме максимальная мощность непрерывной волны достигает 3,8 Вт. При этом лазер работает в основном режиме вблизи дифракционного предела с коэффициентом качества пучка M² всего 1,1 и яркостью до 310 МВт/см²ср. Команда также провела исследование характеристик квазинепрерывной волны.лазер. Сигнал суммарной частоты был успешно обнаружен путем помещения нелинейно-оптического кристалла LiB₃O₅ в резонансную полость, что подтвердило синхронизацию двух длин волн.
Благодаря этой гениальной конструкции чипа было достигнуто органичное сочетание фильтрации усиления квантовой ямы и фильтрации микрорезонатора, заложив основу для реализации двухцветных лазерных источников. С точки зрения показателей производительности этот однокристальный двухцветный лазер достигает высокой яркости, высокой гибкости и точного коаксиального выходного луча. Его яркость находится на международном уровне лидирующего в современной области однокристальных двухцветных полупроводниковых лазеров. С точки зрения практического применения это достижение, как ожидается, эффективно повысит точность обнаружения и помехоустойчивость многоцветного лидара в сложных условиях за счет использования его высокой яркости и двухцветных характеристик. В области оптических частотных гребней его стабильный двухволновой выход может обеспечить решающую поддержку для таких приложений, как точные спектральные измерения и оптическое зондирование с высоким разрешением.
Время публикации: 23 сентября 2025 г.