أحدث الأبحاث حول ليزرات أشباه الموصلات ثنائية اللون

أحدث الأبحاث حول ليزرات أشباه الموصلات ثنائية اللون

حظيت ليزرات الأقراص شبه الموصلة (ليزر SDL)، والمعروفة أيضًا باسم ليزرات الانبعاث السطحي ذات التجويف الخارجي الرأسي (VECSEL)، باهتمام كبير في السنوات الأخيرة. فهي تجمع بين مزايا كسب أشباه الموصلات ورنانات الحالة الصلبة. ولا تقتصر فوائدها على التخفيف الفعال من قيود منطقة الانبعاث في دعم النمط الأحادي لليزر أشباه الموصلات التقليدي، بل تتميز أيضًا بتصميم مرن لفجوة نطاق أشباه الموصلات وخصائص كسب عالية للمواد. ويمكن استخدامها في نطاق واسع من سيناريوهات التطبيق، مثل تطبيقات الضوضاء المنخفضة.ليزر ذو عرض خط ضيقتشمل تطبيقات الليزر في هذا المجال توليد نبضات فائقة القصر وعالية التكرار، وتوليد التوافقيات عالية الرتبة، وتقنية النجوم الدليلية الصوديومية، وغيرها. ومع تقدم التكنولوجيا، ازدادت متطلبات مرونة الطول الموجي. فعلى سبيل المثال، أثبتت مصادر الضوء المتماسكة ثنائية الطول الموجي قيمة تطبيقية عالية للغاية في مجالات ناشئة مثل تقنية الليدار المضادة للتداخل، والتداخل الهولوغرافي، واتصالات تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي، وتوليد الأشعة تحت الحمراء المتوسطة أو تيراهيرتز، وأمشاط التردد الضوئية متعددة الألوان. لطالما شكل تحقيق انبعاث ضوئي ثنائي اللون عالي السطوع في ليزرات الأقراص شبه الموصلة، وكبح تنافس الكسب بين الأطوال الموجية المتعددة بفعالية، تحديًا بحثيًا في هذا المجال.

مؤخراً، لون مزدوجليزر أشباه الموصلاتاقترح فريق في الصين تصميمًا مبتكرًا لشريحة إلكترونية لمعالجة هذا التحدي. ومن خلال بحث عددي معمق، وجدوا أن التحكم الدقيق في تأثيرات ترشيح كسب البئر الكمومي المرتبطة بدرجة الحرارة وترشيح تجويف أشباه الموصلات الدقيقة من شأنه أن يحقق تحكمًا مرنًا في كسب اللونين. وبناءً على ذلك، نجح الفريق في تصميم شريحة كسب عالية السطوع بتردد 960/1000 نانومتر. يعمل هذا الليزر في الوضع الأساسي بالقرب من حد الانعراج، بسطوع خرج يصل إلى حوالي 310 ميجاواط/سم²ستراديان.

لا يتجاوز سمك طبقة التضخيم في قرص أشباه الموصلات بضعة ميكرومترات، ويتشكل تجويف دقيق من نوع فابري-بيرو بين سطح التماس بين أشباه الموصلات والهواء وعاكس براغ الموزع السفلي. وباعتبار هذا التجويف الدقيق مرشحًا طيفيًا مدمجًا في الشريحة، فإنه يُعدّل تضخيم البئر الكمومي. في الوقت نفسه، يختلف معدل انحراف درجة الحرارة بين تأثير ترشيح التجويف الدقيق وتضخيم أشباه الموصلات. وبالجمع بين ذلك والتحكم في درجة الحرارة، يُمكن تحقيق تبديل وتنظيم أطوال موجات الخرج. بناءً على هذه الخصائص، قام الفريق بحساب وتحديد ذروة تضخيم البئر الكمومي عند 950 نانومتر عند درجة حرارة 300 كلفن، بمعدل انحراف حراري لطول موجة التضخيم يبلغ حوالي 0.37 نانومتر/كلفن. بعد ذلك، صمم الفريق عامل القيد الطولي للشريحة باستخدام طريقة مصفوفة النقل، بأطوال موجات ذروة تبلغ حوالي 960 نانومتر و1000 نانومتر على التوالي. أظهرت المحاكاة أن معدل انحراف درجة الحرارة لم يتجاوز 0.08 نانومتر/كلفن. وباستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني للنمو الطبقي، والتحسين المستمر لعملية النمو، تم تصنيع رقائق كسب عالية الجودة بنجاح. وتتوافق نتائج قياس التألق الضوئي تمامًا مع نتائج المحاكاة. ولتخفيف الحمل الحراري وتحقيق نقل طاقة عالي، تم تطوير عملية تغليف رقائق أشباه الموصلات بالماس.

بعد إتمام عملية تغليف الشريحة، أجرى الفريق تقييمًا شاملًا لأداء الليزر. في وضع التشغيل المستمر، يمكن ضبط طول موجة الانبعاث بمرونة بين 960 نانومتر و1000 نانومتر من خلال التحكم في قدرة الضخ أو درجة حرارة المشتت الحراري. وعندما تكون قدرة الضخ ضمن نطاق محدد، يمكن لليزر أيضًا العمل بطولين موجيين، بفارق يصل إلى 39.4 نانومتر. في هذه الحالة، تصل أقصى قدرة للموجة المستمرة إلى 3.8 واط. في الوقت نفسه، يعمل الليزر في الوضع الأساسي بالقرب من حد الانعراج، بمعامل جودة شعاع M² يبلغ 1.1 فقط وسطوع يصل إلى حوالي 310 ميجاواط/سم²ستراديان. كما أجرى الفريق بحثًا حول أداء الموجة شبه المستمرة لـليزرتمت ملاحظة إشارة تردد الجمع بنجاح عن طريق إدخال بلورة LiB₃O₅ البصرية غير الخطية في التجويف الرنيني، مما يؤكد تزامن الأطوال الموجية المزدوجة.

بفضل هذا التصميم المبتكر للشريحة، تم تحقيق دمجٍ عضويٍّ بين ترشيح كسب البئر الكمومي وترشيح التجويف الدقيق، مما يرسي أساسًا تصميميًا لتحقيق مصادر ليزر ثنائية اللون. من حيث مؤشرات الأداء، يحقق هذا الليزر ثنائي اللون أحادي الشريحة سطوعًا عاليًا ومرونة فائقة وإخراجًا دقيقًا للشعاع المحوري. ويُعدّ سطوعه من بين الأفضل عالميًا في مجال ليزرات أشباه الموصلات ثنائية اللون أحادية الشريحة. أما من حيث التطبيق العملي، فمن المتوقع أن يُحسّن هذا الإنجاز بشكلٍ فعّال دقة الكشف وقدرة مقاومة التداخل لأنظمة الليدار متعددة الألوان في البيئات المعقدة، وذلك بالاستفادة من سطوعه العالي وخصائصه ثنائية اللون. وفي مجال أمشاط التردد الضوئي، يُمكن أن يُوفّر خرجه المستقر ثنائي الطول الموجي دعمًا حاسمًا لتطبيقات مثل القياس الطيفي الدقيق والاستشعار البصري عالي الدقة.