ผลการวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองสี

ผลการวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองสี

เลเซอร์แบบดิสก์เซมิคอนดักเตอร์ (SDL lasers) หรือที่รู้จักกันในชื่อเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงภายนอกแนวตั้ง (VECSEL) ได้รับความสนใจอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เลเซอร์ชนิดนี้รวมข้อดีของการขยายสัญญาณจากเซมิคอนดักเตอร์และตัวเรโซเนเตอร์แบบโซลิดสเตทเข้าด้วยกัน ไม่เพียงแต่ช่วยลดข้อจำกัดของพื้นที่การเปล่งแสงแบบโหมดเดียวของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังมีคุณสมบัติการออกแบบแบนด์แกปเซมิคอนดักเตอร์ที่ยืดหยุ่นและคุณลักษณะการขยายสัญญาณของวัสดุที่สูง จึงสามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย เช่น การใช้งานที่ต้องการสัญญาณรบกวนต่ำเลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นแคบการสร้างพัลส์ความถี่สูงแบบสั้นพิเศษ การสร้างฮาร์มอนิกส์ลำดับสูง และเทคโนโลยีดาวนำทางโซเดียม เป็นต้น ด้วยความก้าวหน้าของเทคโนโลยี ความต้องการความยืดหยุ่นของความยาวคลื่นจึงสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น แหล่งกำเนิดแสงโคherent สองความยาวคลื่นได้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าการใช้งานที่สูงมากในสาขาที่กำลังพัฒนา เช่น ไลดาร์ป้องกันการรบกวน อินเตอร์เฟอโรเมตรีแบบโฮโลแกรม การสื่อสารแบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่น การสร้างอินฟราเรดช่วงกลางหรือเทราเฮิร์ตซ์ และหวีความถี่แสงหลายสี การที่จะทำให้เกิดการปล่อยแสงสองสีที่มีความสว่างสูงในเลเซอร์ดิสก์เซมิคอนดักเตอร์และลดการแข่งขันของเกนระหว่างความยาวคลื่นหลายความยาวคลื่นได้อย่างมีประสิทธิภาพนั้น เป็นปัญหาการวิจัยที่ยากลำบากในสาขานี้มาโดยตลอด

เมื่อไม่นานมานี้ มีการใช้งานแบบสองสีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทีมวิจัยในประเทศจีนได้เสนอการออกแบบชิปที่เป็นนวัตกรรมใหม่เพื่อแก้ไขปัญหาดังกล่าว จากการวิจัยเชิงตัวเลขอย่างละเอียด พวกเขาพบว่าการควบคุมการกรองเกนของควอนตัมเวลล์ที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิและผลกระทบของการกรองไมโครแควิทีเซมิคอนดักเตอร์อย่างแม่นยำ จะช่วยให้สามารถควบคุมเกนแบบสองสีได้อย่างยืดหยุ่น จากนั้น ทีมงานได้ออกแบบชิปเกนความสว่างสูง 960/1000 นาโนเมตรได้สำเร็จ เลเซอร์นี้ทำงานในโหมดพื้นฐานใกล้ขีดจำกัดการเลี้ยวเบน โดยมีความสว่างเอาต์พุตสูงถึงประมาณ 310 เมกะวัตต์/ซม.²sr

ชั้นขยายสัญญาณของแผ่นเซมิคอนดักเตอร์มีความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตร และมีการสร้างไมโครแควิทีแบบ Fabry-Perot ระหว่างส่วนต่อประสานระหว่างเซมิคอนดักเตอร์กับอากาศและตัวสะท้อนแสงแบบกระจาย Bragg ที่ด้านล่าง การใช้ไมโครแควิทีเซมิคอนดักเตอร์เป็นตัวกรองสเปกตรัมในตัวของชิปจะช่วยปรับการขยายสัญญาณของควอนตัมเวลล์ ในขณะเดียวกัน ผลการกรองของไมโครแควิทีและการขยายสัญญาณของเซมิคอนดักเตอร์มีอัตราการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิที่แตกต่างกัน เมื่อรวมกับการควบคุมอุณหภูมิ จะสามารถสลับและควบคุมความยาวคลื่นเอาต์พุตได้ จากคุณลักษณะเหล่านี้ ทีมงานได้คำนวณและกำหนดจุดสูงสุดของการขยายสัญญาณของควอนตัมเวลล์ไว้ที่ 950 นาโนเมตรที่อุณหภูมิ 300 เคลวิน โดยมีอัตราการเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิของความยาวคลื่นการขยายสัญญาณประมาณ 0.37 นาโนเมตร/เคลวิน ต่อมา ทีมงานได้ออกแบบปัจจัยข้อจำกัดตามแนวยาวของชิปโดยใช้วิธีเมทริกซ์การส่งผ่าน โดยมีความยาวคลื่นสูงสุดประมาณ 960 นาโนเมตรและ 1000 นาโนเมตรตามลำดับ จากการจำลองพบว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอยู่ที่เพียง 0.08 นาโนเมตร/เคลวิน โดยการใช้เทคโนโลยีการตกตะกอนไอสารเคมีอินทรีย์โลหะ (metal-organic chemical vapor deposition) สำหรับการเจริญเติบโตแบบเอพิเท็กเซียลและการปรับกระบวนการเจริญเติบโตอย่างต่อเนื่อง ทำให้สามารถผลิตชิปขยายสัญญาณคุณภาพสูงได้สำเร็จ ผลการวัดการเรืองแสงสอดคล้องกับผลการจำลองอย่างสมบูรณ์ เพื่อลดภาระความร้อนและเพิ่มกำลังส่ง จึงได้มีการพัฒนาขั้นตอนการบรรจุชิปเซมิคอนดักเตอร์-เพชรเพิ่มเติม

หลังจากเสร็จสิ้นการบรรจุชิป ทีมงานได้ทำการประเมินประสิทธิภาพของเลเซอร์อย่างครอบคลุม ในโหมดการทำงานต่อเนื่อง โดยการควบคุมกำลังปั๊มหรืออุณหภูมิของฮีทซิงค์ ความยาวคลื่นการปล่อยแสงสามารถปรับได้อย่างยืดหยุ่นระหว่าง 960 นาโนเมตรถึง 1000 นาโนเมตร เมื่อกำลังปั๊มอยู่ในช่วงที่กำหนด เลเซอร์ยังสามารถทำงานแบบสองความยาวคลื่นได้ โดยมีช่วงความยาวคลื่นสูงสุดถึง 39.4 นาโนเมตร ในขณะนี้ กำลังคลื่นต่อเนื่องสูงสุดอยู่ที่ 3.8 วัตต์ ในขณะเดียวกัน เลเซอร์ทำงานในโหมดพื้นฐานใกล้ขีดจำกัดการเลี้ยวเบน โดยมีค่าคุณภาพลำแสง M² เพียง 1.1 และความสว่างสูงถึงประมาณ 310 MW/cm²sr ทีมงานยังได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพคลื่นกึ่งต่อเนื่องของเลเซอร์ด้วยเลเซอร์สัญญาณความถี่รวมได้รับการสังเกตอย่างสำเร็จโดยการใส่ผลึกแสงไม่เชิงเส้น LiB₃O₅ เข้าไปในโพรงเรโซแนนซ์ ซึ่งเป็นการยืนยันการซิงโครไนซ์ของความยาวคลื่นคู่

ด้วยการออกแบบชิปอันชาญฉลาดนี้ ทำให้เกิดการผสมผสานอย่างลงตัวระหว่างการกรองด้วยบ่อควอนตัมและการกรองด้วยไมโครแควิที ซึ่งเป็นการวางรากฐานสำหรับการสร้างแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สองสี ในแง่ของตัวชี้วัดประสิทธิภาพ เลเซอร์สองสีแบบชิปเดี่ยวนี้มีความสว่างสูง ความยืดหยุ่นสูง และการปล่อยลำแสงแบบโคแอกเซียลที่แม่นยำ ความสว่างของมันอยู่ในระดับแนวหน้าของโลกในด้านเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สองสีแบบชิปเดี่ยวในปัจจุบัน ในแง่ของการใช้งานจริง คาดว่าความสำเร็จนี้จะช่วยเพิ่มความแม่นยำในการตรวจจับและความสามารถในการต้านทานการรบกวนของไลดาร์หลายสีในสภาพแวดล้อมที่ซับซ้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยใช้ประโยชน์จากความสว่างสูงและคุณลักษณะสองสี ในด้านหวีความถี่แสง เอาต์พุตสองความยาวคลื่นที่เสถียรสามารถให้การสนับสนุนที่สำคัญสำหรับการใช้งาน เช่น การวัดสเปกตรัมที่แม่นยำและการตรวจจับแสงความละเอียดสูง