Le ultime ricerche sui laser a semiconduttore a doppio colore
I laser a disco semiconduttore (laser SDL), noti anche come laser a emissione superficiale a cavità esterna verticale (VECSEL), hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni. Combinano i vantaggi del guadagno a semiconduttore e dei risonatori a stato solido. Non solo attenuano efficacemente la limitazione dell'area di emissione del supporto monomodale per i laser a semiconduttore convenzionali, ma presentano anche un design flessibile del bandgap del semiconduttore e caratteristiche di elevato guadagno del materiale. Possono essere utilizzati in un'ampia gamma di scenari applicativi, come ad esempio a basso rumore.laser a larghezza di linea strettauscita, generazione di impulsi ultrabrevi ad alta ripetizione, generazione di armoniche di ordine elevato e tecnologia a stella guida al sodio, ecc. Con il progresso tecnologico, sono stati posti requisiti più elevati per la sua flessibilità in termini di lunghezza d'onda. Ad esempio, le sorgenti luminose coerenti a doppia lunghezza d'onda hanno dimostrato un valore applicativo estremamente elevato in campi emergenti come il lidar anti-interferenza, l'interferometria olografica, la comunicazione a divisione di lunghezza d'onda, la generazione di infrarosso medio o terahertz e i pettini di frequenza ottica multicolore. Come ottenere un'emissione bicolore ad alta luminosità nei laser a disco a semiconduttore e sopprimere efficacemente la competizione di guadagno tra più lunghezze d'onda è sempre stata una difficoltà di ricerca in questo campo.
Di recente, un bicolorelaser a semiconduttoreUn team cinese ha proposto un design di chip innovativo per affrontare questa sfida. Attraverso un'approfondita ricerca numerica, hanno scoperto che la regolazione precisa degli effetti di filtraggio del guadagno del pozzo quantico in funzione della temperatura e del filtraggio delle microcavità dei semiconduttori dovrebbe consentire un controllo flessibile del guadagno a doppio colore. Sulla base di ciò, il team ha progettato con successo un chip ad alto guadagno di luminosità di 960/1000 nm. Questo laser funziona in modalità fondamentale vicino al limite di diffrazione, con una luminosità di uscita fino a circa 310 MW/cm²sr.
Lo strato di guadagno del disco semiconduttore ha uno spessore di soli pochi micrometri e una microcavità Fabry-Perot è formata tra l'interfaccia semiconduttore-aria e il riflettore Bragg distribuito inferiore. Trattando la microcavità del semiconduttore come filtro spettrale integrato nel chip, il guadagno del pozzo quantico verrà modulato. Nel frattempo, l'effetto di filtraggio della microcavità e il guadagno del semiconduttore presentano diverse velocità di deriva termica. In combinazione con il controllo della temperatura, è possibile ottenere la commutazione e la regolazione delle lunghezze d'onda di uscita. Sulla base di queste caratteristiche, il team ha calcolato e impostato il picco di guadagno del pozzo quantico a 950 nm a una temperatura di 300 K, con una velocità di deriva termica della lunghezza d'onda di guadagno pari a circa 0,37 nm/K. Successivamente, il team ha progettato il fattore di vincolo longitudinale del chip utilizzando il metodo della matrice di trasmissione, con lunghezze d'onda di picco rispettivamente di circa 960 nm e 1000 nm. Le simulazioni hanno rivelato che il tasso di deriva termica era di soli 0,08 nm/K. Utilizzando la tecnologia di deposizione chimica da vapore metallo-organica per la crescita epitassiale e ottimizzando costantemente il processo di crescita, sono stati fabbricati con successo chip di guadagno di alta qualità. I risultati delle misurazioni della fotoluminescenza sono completamente coerenti con i risultati delle simulazioni. Per alleviare il carico termico e ottenere un'elevata trasmissione di potenza, il processo di packaging dei chip in diamante semiconduttore è stato ulteriormente sviluppato.
Dopo aver completato il packaging del chip, il team ha condotto una valutazione completa delle prestazioni del laser. In modalità di funzionamento continuo, controllando la potenza della pompa o la temperatura del dissipatore di calore, la lunghezza d'onda di emissione può essere regolata in modo flessibile tra 960 nm e 1000 nm. Quando la potenza della pompa rientra in un intervallo specifico, il laser può anche raggiungere il funzionamento a doppia lunghezza d'onda, con un intervallo di lunghezza d'onda fino a 39,4 nm. In questo momento, la potenza massima dell'onda continua raggiunge i 3,8 W. Nel frattempo, il laser opera in modalità fondamentale vicino al limite di diffrazione, con un fattore di qualità del fascio M² di solo 1,1 e una luminosità fino a circa 310 MW/cm²sr. Il team ha anche condotto ricerche sulle prestazioni dell'onda quasi continua dellaserIl segnale di frequenza di somma è stato osservato con successo inserendo il cristallo ottico non lineare LiB₃O₅ nella cavità risonante, confermando la sincronizzazione delle doppie lunghezze d'onda.
Grazie a questo ingegnoso design del chip, è stata ottenuta la combinazione organica di filtraggio del guadagno a pozzo quantico e filtraggio a microcavità, gettando le basi progettuali per la realizzazione di sorgenti laser a doppio colore. In termini di indicatori di prestazione, questo laser a doppio colore a chip singolo raggiunge elevata luminosità, elevata flessibilità e un'uscita del fascio coassiale precisa. La sua luminosità è ai vertici internazionali nell'attuale campo dei laser a semiconduttore a doppio colore a chip singolo. In termini di applicazione pratica, si prevede che questo risultato migliorerà efficacemente la precisione di rilevamento e la capacità anti-interferenza del lidar multicolore in ambienti complessi, sfruttando la sua elevata luminosità e le caratteristiche bicolore. Nel campo dei pettini di frequenza ottica, la sua uscita stabile a doppia lunghezza d'onda può fornire un supporto cruciale per applicazioni come la misurazione spettrale precisa e il rilevamento ottico ad alta risoluzione.
Data di pubblicazione: 23 settembre 2025