Последние исследования в области двухцветных полупроводниковых лазеров.
Полупроводниковые дисковые лазеры (SDL-лазеры), также известные как лазеры с вертикальным внешним резонатором и поверхностным излучением (VECSEL), в последние годы привлекают к себе большое внимание. Они сочетают в себе преимущества полупроводникового усиления и твердотельных резонаторов. Они не только эффективно преодолевают ограничение по площади излучения, характерное для одномодовых лазеров, но и отличаются гибкой конструкцией полупроводниковой запрещенной зоны и высокими характеристиками усиления материала. Их применение охватывает широкий спектр задач, например, снижение уровня шума.лазер с узкой шириной линииК таким областям применения относятся: генерация сверхкоротких импульсов с высокой частотой повторения, генерация гармоник высокого порядка, технология натриевых опорных звезд и т.д. С развитием технологий предъявляются более высокие требования к гибкости длины волны. Например, двухволновые когерентные источники света продемонстрировали чрезвычайно высокую ценность в таких перспективных областях, как помехоустойчивый лидар, голографическая интерферометрия, связь с мультиплексированием по длине волны, генерация среднего инфракрасного или терагерцового излучения и многоцветные оптические частотные гребенки. Вопрос о том, как добиться высокояркого двухцветного излучения в полупроводниковых дисковых лазерах и эффективно подавить конкуренцию усиления между несколькими длинами волн, всегда оставался сложной задачей в этой области исследований.
Недавно появился двухцветный вариант.полупроводниковый лазерКитайская команда предложила инновационную конструкцию чипа для решения этой задачи. В результате углубленных численных исследований они обнаружили, что точное регулирование эффектов фильтрации усиления квантовых ям и полупроводниковых микрорезонаторов, связанных с температурой, позволит обеспечить гибкое управление двухцветным усилением. На основе этого команда успешно разработала чип с высокой яркостью усиления на длинах волн 960/1000 нм. Этот лазер работает в основном режиме вблизи дифракционного предела, с выходной яркостью около 310 МВт/см²ср.
Усиляющий слой полупроводникового диска имеет толщину всего несколько микрометров, а между границей раздела полупроводник-воздух и нижним распределенным брэгговским отражателем образуется микрорезонатор Фабри-Перо. Рассматривая полупроводниковый микрорезонатор как встроенный спектральный фильтр чипа, можно модулировать усиление квантовой ямы. При этом эффект фильтрации микрорезонатора и усиление полупроводника имеют разные скорости температурного дрейфа. В сочетании с температурным контролем можно добиться переключения и регулирования выходных длин волн. На основе этих характеристик команда рассчитала и установила пик усиления квантовой ямы на уровне 950 нм при температуре 300 К, при этом скорость температурного дрейфа длины волны усиления составила приблизительно 0,37 нм/К. Затем команда разработала продольный коэффициент ограничения чипа с использованием метода 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 металлоорганического химического осаждения из газовой фазы для эпитаксиального роста и непрерывной оптимизации процесса роста были успешно изготовлены высококачественные усилительные чипы. Результаты измерений фотолюминесценции полностью соответствуют результатам моделирования. Для снижения тепловой нагрузки и достижения высокой мощности передачи был дополнительно усовершенствован процесс упаковки полупроводниковых алмазных чипов.
После завершения упаковки чипа команда провела всестороннюю оценку характеристик лазера. В режиме непрерывной работы, регулируя мощность накачки или температуру радиатора, длину волны излучения можно гибко настраивать в диапазоне от 960 нм до 1000 нм. При определенной мощности накачки лазер также может работать в двухволновом режиме с интервалом длин волн до 39,4 нм. При этом максимальная мощность непрерывного излучения достигает 3,8 Вт. При этом лазер работает в основном режиме вблизи дифракционного предела, с добротностью пучка M² всего 1,1 и яркостью около 310 МВт/см²ср. Команда также провела исследование квазинепрерывных характеристик лазера.лазерСигнал суммарной частоты был успешно зарегистрирован путем введения нелинейного оптического кристалла LiB₃O₅ в резонансную полость, что подтвердило синхронизацию двух длин волн.
Благодаря оригинальной конструкции чипа удалось достичь органичного сочетания фильтрации с усилением на основе квантовых ям и фильтрации в микрорезонаторах, заложив основу для создания двухцветных лазерных источников. С точки зрения производительности, этот однокристальный двухцветный лазер обеспечивает высокую яркость, высокую гибкость и точный коаксиальный выходной луч. Его яркость находится на ведущем международном уровне в современной области однокристальных двухцветных полупроводниковых лазеров. В практическом применении ожидается, что это достижение эффективно повысит точность обнаружения и помехоустойчивость многоцветного лидара в сложных условиях за счет использования его высокой яркости и двухцветных характеристик. В области оптических частотных гребенок его стабильный двухволновой выходной сигнал может оказать решающую поддержку таким приложениям, как точное спектральное измерение и высокоразрешающее оптическое зондирование.
Дата публикации: 23 сентября 2025 г.