來自維也納理工大學 （TU Wien） 和哈佛大學約翰 A. 保爾森工程與應(yīng)用科學學院 （SEAS） 的科學家團隊剛剛推出了一種制造可調(diào)諧半導體環(huán)形激光器的新方法。這些先進的激光器有可能提供高功率通信、更先進的安全系統(tǒng)等等。以下是您需要了解的內(nèi)容。

可調(diào)諧激光器的類型及其優(yōu)勢

在 Theodore H. Maiman 演示第一臺使用合成紅寶石棒的激光器后僅 6 年，研究人員才開始研究可調(diào)諧激光器。與前代固定波長產(chǎn)品不同，它們可以設(shè)置為發(fā)射各種波長的光，使其成為光通信和顯微鏡等精密應(yīng)用的理想選擇。因此，可調(diào)諧激光器已成為當今高科技和醫(yī)療領(lǐng)域的重要組成部分。

可調(diào)諧激光器類別：氣體、光纖、OPO 和半導體

如今，有許多不同類型的可調(diào)諧激光器，包括氣體激光器、光纖激光器、光學參量振蕩器 （OPO） 和半導體激光器。可調(diào)諧半導體激光器被許多人視為最先進的選擇。它們外形緊湊，支持寬波長，并提供足夠的功率。

可調(diào)諧激光器的缺點

可調(diào)諧激光器技術(shù)在功能上取得了巨大飛躍。然而，仍然存在許多限制阻礙該技術(shù)發(fā)揮其最大潛力。例如，具有寬波長范圍的可調(diào)諧激光器通常提供較低的精度。此外，這些設(shè)備的制造成本及其整體脆弱性已被視為其進步的障礙。

如何調(diào)諧半導體激光器

創(chuàng)建和調(diào)整半導體激光器有兩種主要方法。第一種方法需要在激光脊上添加精確的光柵。該光柵在納米尺度上以精確角度切割，以產(chǎn)生頻率選擇性光學反饋。這種設(shè)置允許工程師放大特定波長，并通過改變激光器的電流來減少來自他人的干擾。

第二種調(diào)諧半導體激光器的方法利用外部腔體。在這種布置中，旋轉(zhuǎn)衍射光柵將精確的波長反射到腔體中。將波長激發(fā)到激光中的腔體可以通過旋轉(zhuǎn)來調(diào)整。

當今半導體激光器的問題

半導體激光領(lǐng)域有一些缺點，工程師們多年來一直在試圖克服這些缺點。首先，精度和射程能力之間保持平衡。到目前為止，您可以擁有一個非常精確的設(shè)備，或者一個可以很好地覆蓋各種波長的設(shè)備。

半導體激光器的另一個問題是，隨著溫度升高，它們的性能會顯著下降。當半導體激光器變熱時，它會失去功率、效率，甚至可能損壞。因此，不可能在廣泛的頻譜上實現(xiàn)長期、連續(xù)的無跳躍調(diào)諧。

半導體環(huán)形激光器研究

認識到這些局限性，哈佛大學的工程師和來自其他知名機構(gòu)的科學家著手創(chuàng)造第一臺廣譜、高精度的半導體激光器。他們在科學雜志 Optica 上發(fā)表的研究“連續(xù)且廣泛可調(diào)的半導體環(huán)形激光器”中記錄了他們的旅程。

該論文揭示了他們在一種新型可調(diào)諧半導體激光器方面的工作，該激光器利用環(huán)形陣列量子級聯(lián)激光器（QCL）架構(gòu)提供平滑的可調(diào)性，同時支持擴展的光譜范圍。值得注意的是，量子級聯(lián)激光器是產(chǎn)生遠紅外光譜光束的半導體激光器。

環(huán)形 QCL 設(shè)計：獨立、可尋址陣列

該團隊通過創(chuàng)建多個小型、獨立可尋址的環(huán)形 QCL 開始了他們的工作。值得注意的是，環(huán)形激光器具有兩束相同偏振的光束。這些光束圍繞鏡子創(chuàng)建的閉合環(huán)以相反的方向?qū)?。這種方法可以準確測量最微小的運動。因此，環(huán)形激光器通常用作導航系統(tǒng)中的陀螺儀。

在這種情況下，科學家使用量子級聯(lián)激光活性材料和干法蝕刻工藝創(chuàng)造了環(huán)形激光器。此外，每個環(huán)都添加了電觸點和總線波導。工程師們指出，這種方法提供了增強的性能，減少了總線波導的光損耗。

每個環(huán)都被開發(fā)成具有不同的半徑。使用不同尺寸的環(huán)為每個空間創(chuàng)造了不同的激光頻率。這種方法使工程師能夠單獨調(diào)整每個環(huán)，而不會出現(xiàn)任何激光下降。

使用環(huán)形耦合器實現(xiàn)單模發(fā)射

這種獨特的方法使工程師能夠同時利用多個環(huán)來產(chǎn)生特定的功率和波長。該系統(tǒng)允許工程師通過沿激光器直線部分的倏逝定向耦合器將來自每個環(huán)的光束組合成一個波導。敏銳的是，定向耦合器通過確保光僅沿一個方向傳播來防止增益光柵。

通過基于刻面的設(shè)計進行波導發(fā)射

該團隊指出，他們的激光器采用了一種獨特的發(fā)光方法。該系統(tǒng)依賴于通過總線波導的面發(fā)射方法。波導可用于在室溫下根據(jù)需要調(diào)整和放大激光頻率。

模塊化環(huán)形激光器設(shè)計可實現(xiàn)可擴展性

這種激光器裝置的模塊化設(shè)計意味著工程師可以對其進行擴展以滿足任何需求。此外，環(huán)形激光器可以同時運行或以單環(huán)模式運行。因此，組合激光器會產(chǎn)生更強、更強的光束，使其成為某些高科技應(yīng)用的理想選擇。

半導體環(huán)形激光器測試

工程師們出發(fā)在維也納工業(yè)大學的微納米結(jié)構(gòu)中心潔凈室設(shè)施中測試他們的理論。在這里，他們創(chuàng)造了一個帶有 5 個環(huán)的激光裝置，每個環(huán)都有不同的半徑。具體來說，環(huán)尺寸從 220 到 260 μm 不等。

創(chuàng)建后，該團隊隨后測試了不同的激光設(shè)置和波長。在一個例子中，他們結(jié)合了三個不同環(huán)的調(diào)諧范圍，以測試寬帶寬上的無跳模調(diào)諧。

半導體環(huán)形激光器測試結(jié)果

測試結(jié)果證實了工程師的模型。該團隊指出，單環(huán) QCL 在室溫下連續(xù)波運行時可以發(fā)射高達 0.5 mW 的光束。測試還表明，盡管激光面進行了強烈的光學注入，但激光芯片仍保持穩(wěn)定的波長輸出。這些測試表明，新的激光器設(shè)計在高水平的光反饋下具有彈性。

此外，工程師們還指出，其性能與多截面 DFB 激光器相當。這一發(fā)現(xiàn)是一個巨大的里程碑，因為這意味著這些激光器無需沿著每個激光器的有源區(qū)域制造獨特的光柵即可制造。

具體來說，該團隊能夠利用三個激光環(huán)平滑掃描 266 GHz 至 395 GHz 的光帶寬。掃掠動作很平滑，每個環(huán)之間的光譜重疊極小。值得注意的是，該設(shè)備在大量光注入下產(chǎn)生了非常穩(wěn)定的光束。

半導體環(huán)形激光器的優(yōu)勢

這項研究將為激光市場帶來許多好處。其一，這種設(shè)計沒有移動部件，制造起來更容易且價格實惠。通過降低制造高端激光器的成本，它為更多用例場景和進一步采用打開了大門。

小尺寸

該設(shè)備外形小巧，利用環(huán)形激光器，可以放大或縮小以滿足特定需求。這種策略允許對波長進行微調(diào)和穩(wěn)定發(fā)射。更小的激光器將有助于推動未來的技術(shù)和可穿戴設(shè)備的發(fā)展。

值得注意的是，傳統(tǒng)的可調(diào)諧激光器一次發(fā)射一個波長。相比之下，環(huán)形陣列激光器的模塊化使多個環(huán)形激光器能夠同時運行，并使用不同的環(huán)形半徑瞄準單個波長。

減少反饋并提高光束穩(wěn)定性

使用多個環(huán)形激光器和單向耦合器有助于減少背向反射，這種反射一直困擾著以前的激光器設(shè)計。因此，這種結(jié)構(gòu)可以支持強大的激光器，這些激光器可以處理更多的能量，從而產(chǎn)生比其前身更強的光束。

半導體環(huán)形激光器的實際應(yīng)用

這項技術(shù)有多種實際應(yīng)用。其一，激光器是當今許多高科技領(lǐng)域的重要競爭者。創(chuàng)造更強大、更有用的設(shè)備將有助于降低當今技術(shù)的成本，同時推動創(chuàng)新產(chǎn)品的推出。以下是這項技術(shù)的其他一些用例。

通信

電信行業(yè)一直在尋找更強大的激光器。這一最新發(fā)展可能有助于創(chuàng)建能夠以前所未有的水平進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)某壘W(wǎng)絡(luò)。有一天，這些設(shè)備可用于在宇宙中傳輸數(shù)據(jù)，讓太空旅行者在數(shù)百萬英里外與地球保持聯(lián)系。

醫(yī)療

醫(yī)療領(lǐng)域使用激光的原因有很多。從掃描疾病到矯正視力，這些激光將以多種方式幫助改善未來數(shù)百萬人的健康。更小的尺寸以及更高的靈活性和準確性將有助于為新一代自動化醫(yī)療服務(wù)和程序提供動力。

安全

高功率激光掃描儀是包括天然氣和化工行業(yè)在內(nèi)的多個行業(yè)的重要組成部分。這些設(shè)備會掃描最輕微的問題，以防止災難性故障。這項技術(shù)可以幫助檢測天然氣管道泄漏、基礎(chǔ)設(shè)施衰減以及其他確保人口安全的關(guān)鍵任務(wù)。

半導體環(huán)形激光器時間表

半導體環(huán)形激光器可能會在未來 5-7 年內(nèi)投放市場。對這項技術(shù)的需求是直接的，制造商將渴望利用它來制造更小、更先進的產(chǎn)品。軍事整合的時間表將更短，這可能會加快發(fā)展，以滿足未來戰(zhàn)場不斷增長的需求。

半導體環(huán)形激光器研究人員

半導體環(huán)形激光器研究是哈佛大學約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學學院 （SEAS） 和維也納理工大學 （TU Wien） 的聯(lián)合努力。該研究由費德里科·卡帕索和文頓·海耶斯共同領(lǐng)導。此外。該研究將 Johannes Fuchsberger、Theodore P. Letsou、Dmitry Kazakov、Rolf Szedlak 和 Benedikt Schwarz 列為關(guān)鍵貢獻者。值得注意的是，國防部和美國國家科學基金會通過贈款為這項研究提供了資金。

半導體環(huán)形激光器的下一步是什么？

研究人員正在為他們的工作申請專利。從那里，他們將尋找制造商開始進一步降低生產(chǎn)成本。此外，該團隊將研究使用更多環(huán)縮放設(shè)備的效果。

投資激光行業(yè)

激光行業(yè)的許多公司都以質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)而享有盛譽。幾十年來，這些公司花費了數(shù)百萬美元研究如何制造最節(jié)能、最有用的激光器。這是一家公司盡自己的一份力量為市場提供可靠的設(shè)備。

Laser Photonics Corporation 憑借其扎實的商業(yè)實踐和可靠的激光器贏得了行業(yè)領(lǐng)導者的聲譽。這些設(shè)備為市場提供免維護的高性能解決方案。此外，該公司專注于使其產(chǎn)品具有環(huán)境安全性和可持續(xù)性。

2022 年 10 月，Laser Photonics Corporation 舉辦了 IPO，獲得了 $55M 的資金。從那時起，該公司不斷擴大其產(chǎn)品和客戶群。如今，激光光子學公司為多家財富 500 強公司提供服務(wù)，并被視為行業(yè)領(lǐng)導者。

半導體環(huán)形激光器 |結(jié)論

在討論可調(diào)諧半導體激光器研究時，有很多值得興奮的事情。這些設(shè)備可以重塑多個行業(yè)，并幫助或降低未來電子產(chǎn)品的成本和尺寸。事實上，他們的設(shè)備比當今的選項更容易創(chuàng)建，并且以緊湊的芯片大小格式提供廣泛而精確的波長調(diào)諧，這使其成為整個行業(yè)的勝利。