اخیراً، یک تیم لیزر نیمه‌رسانا متشکل از دانشکده علوم بین‌رشته‌ای در دانشگاه ملی فناوری دفاع و Suzhou Changguang Huaxin Optoelectronics Technology، آموزشی ویبولیتین پیشرفت قابل‌توجهی در تحقیقات لیزر نیمه‌هادی دو رنگ- داشته است. یافته ها با عنوان "لیزر دیسک نیمه هادی دو رنگی 960/1000 نانومتری یکپارچه، روشنایی بیش از 300MW/cm²sr را ارائه می دهد" در ACS Photonics منتشر شد. ژانگ ژیچنگ، دستیار محقق در USTC، به عنوان اولین نویسنده، با پروفسور وانگ جون و ژانگ چائو فن به عنوان نویسندگان متناظر، خدمت کرد.
لیزرهای دیسک نیمه هادی (SDL) که به عنوان لیزرهای انتشار دهنده سطح حفره عمودی{{1}(VECSEL) نیز شناخته می شود، در سال های اخیر توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده است. با ترکیب مزایای بهره نیمه هادی و تشدیدگرهای حالت جامد، آنها به طور موثر بر محدودیت های ناحیه انتشار لیزرهای نیمه هادی تک حالته معمولی غلبه می کنند و در عین حال طراحی شکاف باند نیمه هادی انعطاف پذیر و ویژگی های بهره بالای مواد را ارائه می دهند. آنها کاربردهایی را در سناریوهای متعددی از جمله-خروجی لیزر کم نویز-عرض خط، کم{8}}تکرار-تولید پالس، تولید هارمونیک بالا{10}}و فناوری ستاره راهنمای سدیم پیدا می‌کنند. پیشرفت تکنولوژی نیاز به انعطاف پذیری بیشتر در طول موج دارد. منابع منسجم با طول موج دوگانه، پتانسیل بسیار زیادی را در زمینه‌های نوظهور مانند لیدار ضد پارگی، تداخل سنجی هولوگرافیک، ارتباطات چندگانه تقسیم طول موج، تولید مادون قرمز یا تراهرتز میانی{{15} و شانه‌های فرکانس نوری چندرنگ نشان می‌دهند. دستیابی به-درخشندگی دوگانه-گسیلی با طول موج بالا و در عین حال سرکوب رقابت افزایشی بین طول موج‌ها همچنان یک چالش مهم در لیزرهای دیسک نیمه هادی است.
برای مقابله با این چالش، تیم لیزر نیمه هادی یک طراحی تراشه نوآورانه را پیشنهاد کرد. آنها از طریق{1}}مطالعات عددی عمیق، دریافتند که کنترل دقیق دما{2}}فیلتر چاه کوانتومی وابسته و اثرات فیلتر ریزحفره نیمه هادی می تواند تنظیم افزایش رنگ دوگانه{3}} انعطاف پذیر را فعال کند. با تکیه بر این، تیم با موفقیت یک تراشه افزایش روشنایی-بالا که در 960/1000 نانومتر کار می‌کند طراحی کرد. این لیزر در حالت پایه تقریباً-پراش{10}}محدود کار می‌کند و به روشنایی خروجی تقریباً 310 mW/cm²sr می‌رسد.
نوآوری های تحقیقاتی
شکل 1: طراحی تراشه بهره نیمه هادی با روشنایی بالا-دوگانه-
لایه افزایش ویفر نیمه هادی تنها چند میکرومتر ضخامت دارد و یک ریزحفره Fabry{0}Pero بین رابط هوای نیمه هادی-و بازتابنده براگ توزیع شده در زیرلایه تشکیل می دهد. درمان ریزحفره نیمه هادی به عنوان یک فیلتر طیفی یکپارچه بهره چاه کوانتومی را تعدیل می کند. به طور همزمان، اثر فیلتر ریزحفره و بهره نیمه‌رسانا نرخ‌های تغییر دمای مشخصی را نشان می‌دهند. همراه با کنترل دما، این امکان سوئیچینگ و تنظیم طول موج خروجی را فراهم می کند. با استفاده از این ویژگی‌ها، تیم پیک بهره چاه کوانتومی را به صورت محاسباتی 950 نانومتر در 300 کلوین، با نرخ رانش دمای طول موج افزایش تقریباً 0.37 نانومتر بر کلوین تعیین کرد. متعاقبا، تیم از روش ماتریس انتقال برای طراحی فاکتورهای حبس طولی تراشه استفاده کرد و به حداکثر طول موج‌های تقریباً 960 نانومتر و 1000 نانومتر دست یافت. شبیه‌سازی‌ها نرخ رانش دما را تنها 0.08 نانومتر بر کلوین نشان داد. با استفاده از رسوب بخار شیمیایی آلی فلزی{15}(MOCVD) برای رشد همپایه، تیم با موفقیت{16} تراشه‌های افزایش کیفیت بالا را از طریق بهینه‌سازی فرآیند مستمر ساختند. اندازه گیری فوتولومینسانس به طور کامل با نتایج شبیه سازی مطابقت داشت. برای کاهش بار حرارتی و فعال کردن کارکرد با قدرت{19}بالا، فرآیند بسته‌بندی تراشه‌های نیمه‌هادی{20}}نیمه‌رسانا بیشتر توسعه داده شد.
تجزیه و تحلیل جامع ویژگی های خروجی تراشه بهره نیمه هادی
پس از بسته بندی تراشه، تیم ارزیابی جامعی از عملکرد لیزر آن انجام داد. در حالت کار مداوم، با کنترل قدرت پمپ یا دمای سینک حرارتی، می توان طول موج انتشار را بین 960 نانومتر و 1000 نانومتر تنظیم کرد. در یک محدوده توان پمپ خاص، لیزر همچنین به عملکرد دوگانه-طول موج با فاصله طول موج 39.4 نانومتر دست یافت، که به حداکثر توان موج پیوسته 3.8 W رسید. همزمان، لیزر نزدیک به-پراش{10}}و فقط ضریب کیفیت تقریباً محدود با روشنایی M²1 را حفظ کرد. 310 مگاوات بر سانتی متر مربع sr. این تیم همچنین عملکرد امواج شبه{14}مداوم لیزر را بررسی کردند. با قرار دادن یک کریستال نوری غیرخطی LiB3O5 در حفره تشدیدگر، آنها با موفقیت سیگنال‌های فرکانس مجموع را مشاهده کردند و همگام‌سازی هر دو طول موج را تأیید کردند.
این طراحی تراشه مبتکرانه به یکپارچگی ارگانیک از فیلتر چاه کوانتومی و فیلتر ریزحفره ای دست می یابد و پایه و اساس طراحی را برای تحقق منابع لیزری با طول موج دوگانه-می گذارد. از نظر معیارهای عملکرد، این لیزر یکپارچه دو طول موج-به روشنایی بالا، انعطاف پذیری بالا و خروجی پرتو کواکسیال دقیق دست می یابد. درخشندگی آن در میان سطوح پیشرو در جهان در زمینه فعلی لیزرهای نیمه هادی دوتایی{4}} یکپارچه قرار می گیرد. برای کاربردهای عملی، این دستاورد در سیستم‌های لیدار چند رنگ- نویدبخش است. با بهره گیری از ویژگی های روشنایی بالا و طول موج دوگانه، می تواند به طور موثری دقت تشخیص رادار و قابلیت های ضد تداخل- را در محیط های پیچیده افزایش دهد. در کاربردهای شانه فرکانس نوری، خروجی با طول موج دوگانه{11}}پایدار آن، پشتیبانی حیاتی برای اندازه‌گیری‌های طیفی دقیق و حسگر نوری با وضوح{12}بالا فراهم می‌کند. با نگاهی به آینده، تیم قصد دارد تحقیقات خود را عمیق تر کند. از یک طرف، آنها با بهینه سازی پارامترهایی مانند ابعاد الکترود و دوپینگ برای افزایش بیشتر قدرت یک حالته{15}می‌خواهند دستگاه‌های الکتروپمپ{15}}را توسعه دهند. در مورد دیگر، آنها لیزرهای نیمه هادی تابش دهنده الکترو{18}جدید{18}سطح کریستال فوتونیک پمپ شده{19}}را بررسی خواهند کرد.
