أحدث الأبحاث حول الليزر شبه الموصل ثنائي اللون

أحدث الأبحاث حول الليزر شبه الموصل ثنائي اللون

استقطبت ليزرات أقراص أشباه الموصلات (SDL)، المعروفة أيضًا باسم ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الخارجي الرأسي (VECSEL)، اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة. فهي تجمع بين مزايا كسب أشباه الموصلات ورنانات الحالة الصلبة. فهي لا تُخفف بفعالية من محدودية مساحة الانبعاث الناتجة عن الدعم أحادي الوضع لليزرات أشباه الموصلات التقليدية فحسب، بل تتميز أيضًا بتصميم مرن لفجوة نطاق أشباه الموصلات وخصائص كسب مادية عالية. ويمكن استخدامها في مجموعة واسعة من سيناريوهات التطبيقات، مثل منخفضة الضوضاء.ليزر ذو خط عرض ضيقمع تطور التكنولوجيا، طُرحت متطلبات أعلى لمرونة أطوالها الموجية. على سبيل المثال، أظهرت مصادر الضوء المتماسكة ثنائية الطول الموجي قيمة تطبيقية عالية جدًا في مجالات ناشئة مثل الليدار المضاد للتداخل، وقياس التداخل الهولوغرافي، واتصالات مضاعفة تقسيم الطول الموجي، وتوليد الأشعة تحت الحمراء المتوسطة أو التيراهرتز، وأمشاط التردد البصري متعدد الألوان. لطالما شكّل تحقيق انبعاث ثنائي اللون عالي السطوع في ليزرات أقراص أشباه الموصلات، والحدّ بفعالية من تنافس الكسب بين الأطوال الموجية المتعددة، صعوبة بحثية في هذا المجال.

في الآونة الأخيرة، ظهرت ثنائية اللونليزر أشباه الموصلاتاقترح فريق بحثي صيني تصميمًا مبتكرًا لرقاقة لمعالجة هذا التحدي. ومن خلال بحث عددي معمق، وجدوا أن التنظيم الدقيق لتأثيرات ترشيح كسب الآبار الكمومية المرتبطة بدرجة الحرارة وترشيح التجاويف الدقيقة لأشباه الموصلات يُتوقع أن يُحقق تحكمًا مرنًا في كسب اللونين. وبناءً على ذلك، نجح الفريق في تصميم رقاقة ذات كسب سطوع عالي يبلغ 960/1000 نانومتر. يعمل هذا الليزر في الوضع الأساسي بالقرب من حد الحيود، مع سطوع خرج يصل إلى حوالي 310 ميغاواط/سم² sr.

يبلغ سمك طبقة الكسب في قرص أشباه الموصلات بضعة ميكرومترات فقط، ويتشكل تجويف فابري-بيرو الدقيق بين واجهة أشباه الموصلات والهواء وعاكس براغ الموزع في الأسفل. إن معاملة التجويف الدقيق لأشباه الموصلات كمرشح طيفي مدمج في الشريحة ستعدل كسب البئر الكمومي. وفي الوقت نفسه، يختلف تأثير ترشيح التجويف الدقيق وكسب أشباه الموصلات في معدلات انجراف درجة الحرارة. وبالاقتران مع التحكم في درجة الحرارة، يمكن تحقيق تبديل وتنظيم أطوال موجات الخرج. بناءً على هذه الخصائص، قام الفريق بحساب وضبط ذروة كسب البئر الكمومي عند 950 نانومتر عند درجة حرارة 300 كلفن، مع معدل انجراف درجة حرارة طول موجة الكسب الذي يبلغ حوالي 0.37 نانومتر/كلفن. بعد ذلك، صمم الفريق عامل القيد الطولي للرقاقة باستخدام طريقة مصفوفة النقل، مع أطوال موجية ذروة تبلغ حوالي 960 نانومتر و1000 نانومتر على التوالي. أظهرت المحاكاة أن معدل انجراف درجة الحرارة كان 0.08 نانومتر/كلفن فقط. باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي للنمو الطبقي، والتحسين المستمر لعملية النمو، تم تصنيع رقائق كسب عالية الجودة بنجاح. تتوافق نتائج قياس التألق الضوئي تمامًا مع نتائج المحاكاة. لتخفيف الحمل الحراري وتحقيق نقل عالي الطاقة، تم تطوير عملية تغليف رقائق أشباه الموصلات بالماس بشكل أكبر.

بعد الانتهاء من تعبئة الشريحة، أجرى الفريق تقييمًا شاملاً لأداء الليزر. في وضع التشغيل المستمر، يمكن تعديل طول موجة الانبعاث بمرونة بين 960 و1000 نانومتر، وذلك بالتحكم في طاقة المضخة أو درجة حرارة المشتت الحراري. عند ضبط طاقة المضخة ضمن نطاق محدد، يمكن لليزر أيضًا تحقيق تشغيل ثنائي الطول الموجي، بفاصل طول موجي يصل إلى 39.4 نانومتر. في هذه الحالة، تصل أقصى طاقة للموجة المستمرة إلى 3.8 واط. في الوقت نفسه، يعمل الليزر في الوضع الأساسي بالقرب من حد الحيود، مع عامل جودة شعاع يبلغ 1.1 متر مربع فقط، وسطوع يصل إلى حوالي 310 ميغاواط/سم² sr. كما أجرى الفريق بحثًا حول أداء الموجة شبه المستمرة لـ...الليزرتم رصد إشارة التردد الإجمالي بنجاح عن طريق إدخال البلورة البصرية غير الخطية LiB₃O₅ في التجويف الرنان، مما يؤكد مزامنة الأطوال الموجية المزدوجة.

بفضل هذا التصميم المبتكر للرقاقة، تم تحقيق الدمج العضوي بين ترشيح مكاسب البئر الكمي وترشيح التجويف الدقيق، مما أرسى أساسًا تصميميًا لإنتاج مصادر ليزر ثنائية اللون. من حيث مؤشرات الأداء، يحقق هذا الليزر أحادي الشريحة ثنائي اللون سطوعًا عاليًا ومرونة عالية ودقة في إخراج شعاع محوري. يُعد سطوعه رائدًا عالميًا في مجال ليزرات أشباه الموصلات أحادية الشريحة ثنائية اللون حاليًا. من حيث التطبيق العملي، من المتوقع أن يعزز هذا الإنجاز دقة الكشف وقدرة الليدار متعدد الألوان على مقاومة التداخل في البيئات المعقدة بشكل فعال من خلال الاستفادة من سطوعه العالي وخصائصه ثنائية اللون. في مجال أمشاط التردد الضوئي، يمكن أن يوفر خرجه المستقر ثنائي الطول الموجي دعمًا أساسيًا لتطبيقات مثل القياس الطيفي الدقيق والاستشعار الضوئي عالي الدقة.