Revolutionerende lasere: Afstemmelig halvlederringteknologi

Et team af forskere fra Wiens Tekniske Universitet (TU Wien) og Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har netop afsløret en ny metode til at fremstille afstemmelige halvleder-ringlasere. Disse avancerede lasere har potentiale til at levere højtydende kommunikation, mere avancerede sikkerhedssystemer og meget mere. Her er hvad du behøver at vide.

Typer af justerbare lasere og deres fordele

Det var først 6 år efter at Theodore H. Maiman demonstrerede den første laser ved hjælp af en syntetisk rubinstang, at forskere begyndte at arbejde på justerbare lasere. I modsætning til deres forgængere med fast bølgelængde kan de indstilles til at udsende lys på tværs af forskellige bølgelængder, hvilket gør dem ideelle til brug i præcisionsapplikationer som optisk kommunikation og mikroskopi. Som sådan er justerbare lasere blevet en afgørende komponent i nutidens højteknologiske og medicinske områder.

Kategorier for justerbare lasere: Gas, fiber, OPO'er og halvledere

I dag findes der mange forskellige typer af justerbare lasere, herunder gaslasere, fiberlasere, optiske parametriske oscillatorer (OPO'er) og halvlederlasere. Justerbare halvlederlasere ses af mange som den mest avancerede mulighed. De tilbyder en kompakt formfaktor, understøtter en bred bølgelængde og leverer tilstrækkelig effekt.

Ulemper ved justerbare lasere

Teknologien med justerbar laser har oplevet enorme fremskridt i kapacitet. Der er dog stadig mange begrænsninger, der har forhindret teknologien i at nå sit maksimale potentiale. For eksempel giver justerbare lasere med brede bølgeområder ofte mindre præcision. Derudover er produktionsomkostningerne for disse enheder og deres generelle skrøbelighed blevet set som hindringer for deres fremskridt.

Sådan justerer du halvlederlasere

Der er to hovedmetoder til at skabe og justere halvlederlasere. Den første metode krævede, at der blev tilføjet et præcist gitter til laserryggen. Dette gitter skæres i nøjagtige vinkler på nanoskala for at skabe frekvensselektiv optisk feedback. Denne opsætning giver ingeniører mulighed for at forstærke en bestemt bølgelængde og reducere interferens fra andre ved at ændre laserens strøm.

Kilde - Militær luft- og rumfart

Den anden metode til at justere halvlederlasere anvender et eksternt hulrum. I dette arrangement reflekterer et roterende diffraktionsgitter den nøjagtige bølgelængde ind i hulrummet. Hulrummet, som exciterer bølgelængden ind i en laser, kan justeres ved at rotere det.

Problemer med nutidens halvlederlasere

Halvlederlaserfeltet har nogle ulemper, som ingeniører har brugt mange år på at forsøge at overvinde. For det første er der stadig balancen mellem præcision og rækkevidde. Indtil nu kunne man enten have en virkelig præcis enhed eller en, der kunne dække forskellige bølgelængder på en anstændig måde.

Et andet problem med halvlederlasere er, at de har et betydeligt fald i ydeevne, når temperaturen stiger. Når en halvlederlaser bliver varm, mister den kraft og effektivitet, og den kan endda blive beskadiget. Som sådan har det været umuligt at opnå langvarig, kontinuerlig hopfri tuning på tværs af et bredt spektrum.

Undersøgelse af halvlederringlasere

I erkendelse af disse begrænsninger satte Harvard-ingeniører og forskere fra andre velrenommerede institutioner sig for at skabe den første bredspektrede, meget præcise halvlederlaser. De dokumenterede deres rejse i studiet "Kontinuerligt og bredt justerbare halvlederringlasere"offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Optica.

Artiklen afslører deres arbejde med en ny type justerbar halvlederlaser, der anvender en ring-array kvantekaskadelaser (QCL)-arkitektur til at give jævn justerbarhed, samtidig med at den understøtter et udvidet spektralområde. Det er værd at bemærke, at kvantekaskadelasere er halvlederlasere, der skaber stråler i det fjerninfrarøde spektrum.

Ring QCL-design: Uafhængige, adresserbare arrays

Holdet begyndte deres arbejde med at skabe flere små, uafhængigt adresserbare ring-QCL'er. Det er værd at bemærke, at ringlasere har to lysstråler med samme polarisering. Disse stråler er rettet i modsatte retninger omkring en lukket sløjfe skabt af spejle. Denne tilgang muliggør nøjagtige målinger af den mindste bevægelse. Derfor bruges ringlasere ofte i navigationssystemer som gyroskoper.

I dette tilfælde skabte videnskabsmanden ringlaserne ved hjælp af kvantekaskadelaseraktivt materiale og en tørætsningsproces. Derudover havde hver ring elektriske kontakter og en busbølgeleder tilføjet. Ingeniørerne bemærkede, at denne tilgang gav forbedret ydeevne og reducerede optisk tab af busbølgelederen.

Hver ring blev udviklet til at have en distinkt radius. Brugen af ringe i forskellige størrelser skabte distinkte laserfrekvenser for hvert rum. Denne tilgang gjorde det muligt for ingeniørerne at justere hver ring separat uden at opleve fald i laseringen.

Opnåelse af single-mode emission ved hjælp af ringkoblere

Denne unikke tilgang gjorde det muligt for ingeniørerne at bruge flere ringe sammen for at skabe specifik effekt og bølgelængder. Systemet tillod ingeniørerne at kombinere stråler fra hver ring til en enkelt bølgeleder via evanescerende retningsbestemte koblere langs lige sektioner af laserne. De retningsbestemte koblere forhindrede forstærkningsgitter ved at sikre, at lyset kun bevægede sig i én retning.

Bølgelederemission gennem facetbaseret design

Holdet bemærkede, at deres laser anvender en unik metode til lysemission. Dette system er baseret på en facet-emitterende tilgang, der går gennem en busbølgeleder. Bølgelederen kan bruges til at justere og forstærke laserfrekvenserne efter behov ved stuetemperatur.

Modulært ringlaserdesign muliggør skalerbarhed

Det modulære design af denne laseropsætning betyder, at ingeniører kan skalere den til at passe til ethvert behov. Derudover kan ringlaserne betjenes samtidigt eller i enkeltringtilstand. Kombination af lasere giver derfor en stærkere og mere intens stråle, hvilket gør den ideel til visse højteknologiske applikationer.

Test af halvlederringlasere

Ingeniørerne tog afsted for at teste deres teorier i renrumsfaciliteterne på TU Wiens Center for Micro and Nanostructures. Her skabte de en laseranordning med 5 ringe, hver med en distinkt radius. Ringstørrelserne varierede specifikt fra 220 til 260 µm.

Når den var skabt, testede holdet forskellige laseropsætninger og bølgelængder. I ét tilfælde kombinerede de tuningområdet for tre forskellige ringe for at teste mode-hop-fri tuning over brede båndbredder.

Resultater af test af halvlederringlasere

Testresultaterne bekræftede ingeniørernes modeller. Holdet bemærkede, at den enkeltringede QCL kunne udsende en stråle på op til 0.5 mW i kontinuerlig bølgedrift ved stuetemperatur. Testen viste også, at laserchippen opretholdt en stabil bølgelængdeudgang på trods af intens optisk injektion på laserfacetten. Disse tests viste, at det nye laserdesign er robust under høje niveauer af optisk feedback.

Derudover bemærkede ingeniørerne, at ydeevnen var sammenlignelig med flersektioners DFB-lasere. Denne opdagelse var en kæmpe milepæl, da det betyder, at disse lasere kan fremstilles uden behov for at fremstille et unikt gitter langs det aktive område af hver laser.

Helt konkret var teamet i stand til at bruge de tre laserringe til jævnt at feje optiske båndbredder fra 266 GHz til 395 GHz. Fejningen var jævn, og der var minimal spektral overlapning mellem hver ring. Bemærkelsesværdigt skabte enheden en bemærkelsesværdigt stabil stråleproduktion under store mængder optisk injektion.

Fordele ved halvlederringlasere

Denne undersøgelse vil bringe mange fordele til lasermarkedet. For det første har dette design ingen bevægelige dele og er meget nemmere og mere overkommeligt at fremstille. Ved at reducere omkostningerne ved at skabe avancerede lasere åbner det døren for flere use case-scenarier og yderligere anvendelser.

Lille størrelse

Enheden har en lille formfaktor, der bruger ringlasere, som kan skaleres op eller ned for at imødekomme specifikke behov. Denne strategi muliggør finjustering af bølgelængden og stabil emission. Mindre lasere vil bidrage til at fremme fremtidige teknologier og bærbare enheder.

Det er værd at bemærke, at traditionelle justerbare lasere udsender en enkelt bølgelængde ad gangen. I modsætning hertil gør ring-array-lasernes modularitet det muligt for flere ringe at fungere samtidigt og målrette individuelle bølgelængder ved hjælp af forskellige ringradiuser.

Reduceret feedback og forbedret strålestabilitet

Brugen af flere ringlasere og ensrettede koblere hjælper med at reducere tilbagerefleksion, som havde plaget tidligere laserdesigns. Som sådan kan denne struktur understøtte kraftige lasere, der kan håndtere mere energi for at skabe stærkere stråler end deres forgænger kunne producere.

Halvlederringlasere - Virkelige anvendelser

Der er adskillige anvendelser af denne teknologi i den virkelige verden. For det første er lasere en afgørende konkurrence inden for mange af nutidens højteknologiske områder. At skabe mere kraftfulde og nyttige enheder vil bidrage til at reducere omkostningerne ved nutidens teknologier, samtidig med at det fremmer introduktionen af ​​innovative produkter. Her er nogle andre anvendelsesscenarier for denne teknologi.

Kommunikation

Telekommunikationsindustrien er altid på udkig efter kraftigere lasere. Denne seneste udvikling kan bidrage til at skabe supernetværk, der er i stand til at overføre data med høj hastighed på et niveau, der tidligere var utænkeligt. Disse enheder kan en dag bruges til at overføre data på tværs af universet og dermed holde rumrejsende i kontakt med Jorden fra millioner af kilometer væk.

Medicin

Det medicinske område bruger lasere af mange årsager. Fra scanning for sygdomme til korrigering af dit syn, er der mange måder, hvorpå disse lasere vil bidrage til at forbedre sundheden for millioner af mennesker i fremtiden. Den mindre størrelse og øgede fleksibilitet og nøjagtighed vil bidrage til at drive en ny generation af automatiserede medicinske tjenester og procedurer.

Sikkerhed

Kraftfulde laserscannere er en essentiel komponent i flere industrier, herunder gas- og kemikaliesektoren. Disse enheder scanner efter de mindste problemer for at forhindre katastrofale fejl. Denne teknologi kan hjælpe med at detektere lækager i gasrørledninger, nedbrud af infrastruktur og andre afgørende opgaver, der holder befolkningen sikker.

Tidslinje for halvlederringlasere

Halvleder-ringlasere kan komme på markedet inden for de næste 5-7 år. Der er en øjeblikkelig efterspørgsel efter denne teknologi, og producenterne vil være ivrige efter at bruge den til at skabe mindre og mere avancerede produkter. Denne tidslinje vil være kortere for militær integration, hvilket kan føre til en hurtigere udvikling for at imødekomme de voksende krav fra fremtidens slagmarker.

Forskere inden for halvlederringlasere

Undersøgelsen af halvlederringlasere var et samarbejde mellem Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Vienna University of Technology (TU Wien). Forskningen blev ledet i fællesskab af Federico Capasso og Vinton Hayes. Derudover nævner undersøgelsen Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak og Benedikt Schwarz som afgørende bidragydere. Især forsvarsministeriet og National Science Foundation finansierede undersøgelsen via en bevilling.

Hvad er det næste for halvleder-ringlasere?

Forskerne er i gang med at patentere deres arbejde. Derfra vil de opsøge producenter for at begynde at reducere produktionsomkostningerne yderligere. Derudover vil teamet undersøge virkningerne af at skalere enheden med flere ringe.

Investering i lasersektoren

Mange virksomheder i lasersektoren har opnået et ry for kvalitet og fremragende service. Disse firmaer har brugt millioner på at undersøge, hvordan man skaber de mest energieffektive og nyttige lasere gennem årtierne. Her er en virksomhed, der har gjort sit for at forsyne markedet med pålidelige enheder.

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

kom ind på markedet i 1981 for at levere avancerede industrielle lasere til markedet. Virksomheden er beliggende i Orlando, Florida, og tilbyder i øjeblikket en række produkter, herunder laserrensnings-, skære- og forsvarssystemer. (LASE )

Laser Photonics Corporation har opnået et ry som en førende branche på grund af sine solide forretningsmetoder og pålidelige lasere. Disse enheder tilbyder vedligeholdelsesfrie højtydende løsninger til markedet. Derudover fokuserer virksomheden på at gøre deres produkter miljøvenlige og bæredygtige.

I oktober 2022 afholdt Laser Photonics Corporation en børsnotering, der sikrede en finansiering på 55 millioner dollars. Siden da har virksomheden løbende udvidet sine tilbud og kundekreds. I dag servicerer Laser Photonics Corporation adskillige Fortune 500-virksomheder og betragtes som en førende virksomhed i branchen.

Halvlederringlasere | Konklusion

Der er meget at være begejstret for, når man diskuterer studiet af justerbare halvlederlasere. Disse enheder kan omforme flere industrier og hjælpe med eller reducere omkostningerne og størrelsen på fremtidens elektronik. Det faktum, at deres enhed er nemmere at fremstille end nutidens muligheder og tilbyder bred og præcis bølgelængdejustering i et kompakt format på chipstørrelse, gør det til en sejr for hele industrien.

Lær om andre fede gennembrud link..

Referencer til undersøgelser:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso og Benedikt Schwarz, “Kontinuerligt og bredt justerbare halvlederringlasere,” Optica 12, 985-990 (2025)}