Baru-baru ini, tim laser semikonduktor yang terdiri dari Fakultas Ilmu Interdisipliner di Universitas Nasional Teknologi Pertahanan dan Suzhou Changguang Huaxin Optoelektronik Technology Co., Ltd. telah mencapai kemajuan signifikan dalam penelitian laser semikonduktor warna ganda. Temuan tersebut, berjudul "Laser disk semikonduktor warna Monolitik 960/1000nm bi-memberikan kecerahan lebih dari 300MW/cm²sr," dipublikasikan di ACS Photonics. Zhang Zhicheng, asisten peneliti di USTC, menjabat sebagai penulis pertama, dengan Profesor Wang Jun dan Zhang Chao Fan sebagai penulis koresponden.
Laser disk semikonduktor (SDL), juga dikenal sebagai laser pemancar-permukaan rongga-vertikal (VECSEL), telah menarik perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir. Menggabungkan keunggulan penguatan semikonduktor dan resonator-status padat, keduanya secara efektif mengatasi keterbatasan area emisi laser semikonduktor mode-tunggal konvensional sekaligus menawarkan desain celah pita semikonduktor yang fleksibel dan karakteristik penguatan material yang tinggi. Mereka dapat diterapkan dalam berbagai skenario, termasuk keluaran laser dengan lebar garis sempit-kebisingan rendah, pembangkitan pulsa-kecepatan pengulangan-kecepatan tinggi, pembangkitan harmonik-tinggi, dan teknologi bintang pemandu natrium. Kemajuan teknologi menuntut fleksibilitas panjang gelombang yang lebih besar. Sumber koheren-panjang gelombang ganda menunjukkan potensi besar dalam bidang-bidang baru seperti lidar anti-jamming, interferometri holografik, komunikasi multiplexing pembagian panjang gelombang, pembangkitan-inframerah menengah atau terahertz, dan sisir frekuensi optik multiwarna. Mencapai emisi-kecerahan-panjang gelombang ganda yang tinggi sekaligus menekan persaingan penguatan antar panjang gelombang tetap menjadi tantangan besar dalam laser disk semikonduktor.
Untuk mengatasi tantangan ini, tim laser semikonduktor mengusulkan desain chip yang inovatif. Melalui-studi numerik yang mendalam, mereka menemukan bahwa pengendalian yang tepat-penyaringan penguatan sumur kuantum yang bergantung pada suhu dan efek pemfilteran rongga mikro semikonduktor dapat memungkinkan pengaturan penguatan warna ganda-yang fleksibel. Berdasarkan hal ini, tim berhasil merancang-chip peningkatan kecerahan tinggi yang beroperasi pada 960/1000 nm. Laser ini beroperasi dalam mode fundamental terbatas dekat-difraksi{10}}dan menghasilkan kecerahan keluaran sekitar 310 mW/cm²sr.
Inovasi Penelitian
Gambar 1: Desain chip penguatan semikonduktor panjang gelombang-kecerahan ganda-tinggi
Lapisan penguatan wafer semikonduktor hanya setebal beberapa mikrometer, membentuk rongga mikro Fabry-Perot antara antarmuka udara-semikonduktor dan reflektor Bragg yang terdistribusi pada substrat. Memperlakukan rongga mikro semikonduktor sebagai filter spektral terintegrasi memodulasi penguatan sumur kuantum. Secara bersamaan, efek penyaringan rongga mikro dan penguatan semikonduktor menunjukkan tingkat penyimpangan suhu yang berbeda. Dikombinasikan dengan kontrol suhu, hal ini memungkinkan peralihan dan pengaturan panjang gelombang keluaran. Memanfaatkan sifat-sifat ini, tim secara komputasi menetapkan puncak penguatan sumur kuantum pada 950 nm pada 300 K, dengan laju penyimpangan suhu panjang gelombang sekitar 0,37 nm/K. Selanjutnya, tim menggunakan metode matriks transfer untuk merancang faktor pengurungan longitudinal chip, mencapai panjang gelombang puncak sekitar 960 nm dan 1000 nm. Simulasi menunjukkan laju penyimpangan suhu hanya 0,08 nm/K. Dengan menggunakan deposisi uap kimia organik logam (MOCVD) untuk pertumbuhan epitaksi, tim berhasil membuat chip gain berkualitas tinggi melalui optimalisasi proses yang berkelanjutan. Pengukuran fotoluminesensi sepenuhnya sesuai dengan hasil simulasi. Untuk memitigasi beban termal dan memungkinkan operasi berdaya tinggi, proses pengemasan chip berlian semikonduktor dikembangkan lebih lanjut.
Analisis Komprehensif Karakteristik Keluaran Chip Penguatan Semikonduktor
Setelah pengemasan chip, tim melakukan evaluasi komprehensif terhadap kinerja lasernya. Dalam mode operasi berkelanjutan, panjang gelombang emisi dapat disetel secara fleksibel antara 960 nm dan 1000 nm dengan mengontrol daya pompa atau suhu unit pendingin. Dalam rentang daya pompa tertentu, laser juga mencapai operasi-panjang gelombang ganda dengan jarak panjang gelombang 39,4 nm, mencapai daya gelombang-kontinu maksimum sebesar 3,8 W. Secara bersamaan, laser mempertahankan operasi mode dasar dekat-difraksi-terbatas dengan faktor kualitas sinar M² hanya 1,1 dan kecerahan sekitar 310 MW/cm²sr. Tim juga menyelidiki kinerja gelombang kuasi{14}}kontinu laser. Dengan memasukkan kristal optik nonlinier LiB₃O₅ ke dalam rongga resonator, mereka berhasil mengamati jumlah sinyal frekuensi, mengonfirmasi sinkronisasi kedua panjang gelombang.
Desain chip yang cerdik ini mencapai integrasi organik dari pemfilteran penguatan sumur kuantum dan pemfilteran rongga mikro, sehingga meletakkan dasar desain untuk mewujudkan sumber laser dengan panjang gelombang ganda. Dalam hal metrik kinerja, laser dengan panjang gelombang ganda-monolitik ini menghasilkan kecerahan tinggi, fleksibilitas tinggi, dan keluaran sinar koaksial yang presisi. Kecerahannya termasuk di antara tingkat terdepan di dunia dalam bidang laser semikonduktor dengan panjang gelombang ganda monolitik saat ini. Untuk aplikasi praktis, pencapaian ini menjanjikan dalam sistem lidar multi-warna. Dengan memanfaatkan karakteristik kecerahan tinggi dan-panjang gelombang ganda, perangkat ini dapat secara efektif meningkatkan akurasi deteksi radar dan kemampuan anti-interferensi di lingkungan yang kompleks. Dalam aplikasi sisir frekuensi optik, keluaran panjang gelombang ganda yang stabil memberikan dukungan penting untuk pengukuran spektral presisi dan penginderaan optik resolusi tinggi. Ke depan, tim berencana memperdalam penelitiannya. Di satu sisi, mereka bertujuan untuk mengembangkan perangkat{15}}pemompaan listrik dengan mengoptimalkan parameter seperti dimensi elektroda dan doping untuk lebih meningkatkan daya{16}}mode tunggal. Di sisi lain, mereka akan menjelajahi-permukaan kristal fotonik yang dipompa elektro-baru yang memancarkan laser semikonduktor.
