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 alleviano 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 guadagno del materiale elevate. Possono essere visti in una vasta gamma di scenari applicativi, come a basso rumorelaser a larghezza di riga ridottauscita, generazione di impulsi ultracorti ad alta ripetizione, generazione di armoniche di ordine elevato e tecnologia a stella guida di sodio, ecc. Con l'avanzamento della tecnologia, sono stati richiesti requisiti più elevati per la sua flessibilità di lunghezza d'onda. Ad esempio, le sorgenti di luce coerente 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 multiplexing a divisione di lunghezza d'onda, la generazione di infrarossi medi o terahertz e i pettini di frequenza ottica multicolore. Come ottenere un'emissione a doppio colore ad alta luminosità nei laser a disco semiconduttore e sopprimere efficacemente la competizione di guadagno tra più lunghezze d'onda è sempre stata una difficoltà di ricerca in questo campo.
Recentemente, un bicolorelaser a semiconduttoreUn team cinese ha proposto un design innovativo per il chip al fine di affrontare questa sfida. Attraverso un'approfondita ricerca numerica, hanno scoperto che una regolazione precisa del filtraggio del guadagno del pozzo quantico dipendente dalla temperatura e degli effetti di filtraggio della microcavità a semiconduttore dovrebbe consentire un controllo flessibile del guadagno a doppio colore. Sulla base di ciò, il team ha progettato con successo un chip ad alta luminosità da 960/1000 nm. Questo laser opera in modalità fondamentale vicino al limite di diffrazione, con una luminosità di uscita pari a circa 310 MW/cm²sr.
Lo strato di guadagno del disco semiconduttore ha uno spessore di pochi micrometri e una microcavità Fabry-Perot si forma tra l'interfaccia semiconduttore-aria e il riflettore di Bragg distribuito inferiore. Trattando la microcavità semiconduttrice come filtro spettrale integrato nel chip, è possibile modulare il guadagno del pozzo quantico. Allo stesso tempo, l'effetto di filtraggio della microcavità e il guadagno del semiconduttore presentano diverse velocità di deriva termica. Combinando questo 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 la velocità di deriva termica era di soli 0,08 nm/K. Grazie all'utilizzo della tecnologia di deposizione chimica da fase vapore metallorganica (MOCVD) per la crescita epitassiale e alla continua ottimizzazione del processo di crescita, sono stati fabbricati con successo chip di guadagno di alta qualità. I risultati delle misurazioni di fotoluminescenza sono perfettamente coerenti con i risultati della simulazione. Per alleviare il carico termico e ottenere un'elevata trasmissione di potenza, è stato ulteriormente sviluppato il processo di incapsulamento dei chip semiconduttori-diamante.
Dopo aver completato l'incapsulamento del chip, il team ha condotto una valutazione completa delle sue prestazioni 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 ottenere un 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 soli 1,1 e una luminosità elevata fino a circa 310 MW/cm²sr. Il team ha anche condotto ricerche sulle prestazioni dell'onda quasi continua dellaserIl segnale di somma di frequenza è stato osservato con successo inserendo il cristallo ottico non lineare di LiB₃O₅ nella cavità risonante, confermando la sincronizzazione delle due lunghezze d'onda.
Grazie a questo ingegnoso design del chip, è stata realizzata la combinazione organica di filtraggio del guadagno a pozzo quantico e filtraggio a microcavità, ponendo le basi per la progettazione di sorgenti laser a doppio colore. In termini di indicatori di prestazione, questo laser a doppio colore su singolo chip raggiunge un'elevata luminosità, un'elevata flessibilità e un'uscita del fascio coassiale precisa. La sua luminosità è ai massimi livelli internazionali nel campo attuale dei laser a semiconduttore a doppio colore su singolo chip. In termini di applicazioni pratiche, si prevede che questo risultato migliori efficacemente la precisione di rilevamento e la capacità anti-interferenza dei lidar multicolore in ambienti complessi, sfruttando la sua elevata luminosità e le caratteristiche a doppio colore. Nel campo dei pettini di frequenza ottica, la sua stabile uscita a doppia lunghezza d'onda può fornire un supporto cruciale per applicazioni quali la misurazione spettrale precisa e il rilevamento ottico ad alta risoluzione.
Data di pubblicazione: 23 settembre 2025