Energie
Laserrevolutie: Afstelbare halfgeleider-ringtechnologie
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Een team van wetenschappers van de Technische Universiteit Wien (TU Wien) en de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) heeft zojuist een nieuwe methode gepresenteerd om afstelbare halfgeleider-ringlasers te fabriceren. Deze geavanceerde lasers hebben het potentieel om krachtige communicatiesystemen, geavanceerdere veiligheidssystemen en nog veel meer te bieden. Dit is wat u moet weten.
Soorten afstelbare lasers en hun voordelen
Pas zes jaar nadat Theodore H. Maiman de eerste laser met een synthetische robijnstang demonstreerde, begonnen onderzoekers te werken aan afstelbare lasers. In tegenstelling tot hun vaste-wavelength voorgangers kunnen ze zo worden ingesteld dat ze licht over verschillende golflengten uitstralen, waardoor ze ideaal zijn voor precisietoepassingen zoals optische communicatie en microscopie. Daardoor zijn afstelbare lasers een cruciaal onderdeel geworden van de hedendaagse hightech- en medische sectoren.
Categorieën afstelbare lasers: gas, vezel, OPO's & halfgeleider
Tegenwoordig zijn er veel verschillende soorten afstelbare lasers, waaronder gaslasers, vezellasers, optische parametrische oscillatoren (OPO's) en halfgeleiderlasers. Veel mensen beschouwen afstelbare halfgeleiderlasers als de meest geavanceerde optie. Ze bieden een compact formaat, ondersteunen een breed golflengtebereik en leveren voldoende vermogen.
Nadelen van afstelbare lasers
De technologie van afstelbare lasers heeft enorme sprongen gemaakt in mogelijkheden. Er zijn echter nog steeds veel beperkingen die de technologie ervan weerhouden haar maximale potentieel te bereiken. Bijvoorbeeld, afstelbare lasers met brede golfreeksen bieden vaak minder precisie. Bovendien worden de productiekosten van deze apparaten en hun algemene kwetsbaarheid gezien als obstakels voor verdere ontwikkeling.
Hoe halfgeleiderlasers af te stellen
Er zijn twee hoofdmethoden om halfgeleiderlasers te maken en af te stellen. De eerste methode vereist dat er een nauwkeurige rasterstructuur aan de laserrand wordt toegevoegd. Deze raster wordt op exacte hoeken op nanoschaal gesneden om frequentieselectieve optische terugkoppeling te creëren. Deze opstelling stelt ingenieurs in staat een specifieke golflengte te versterken en interferentie van andere golflengten te verminderen door de stroom van de laser aan te passen.
Bron – Military Aerospace
De tweede methode om halfgeleiderlasers af te stellen maakt gebruik van een externe resonator. In deze opstelling reflecteert een roterende diffractie-raster de exacte golflengte in de resonator. De resonator, die de golflengte tot een laser exciteert, kan worden aangepast door deze te draaien.
Problemen met de hedendaagse halfgeleiderlasers
Het vakgebied van halfgeleiderlasers kent enkele nadelen waar ingenieurs jarenlang aan hebben geprobeerd te werken. Ten eerste blijft er een afweging bestaan tussen precisie en bereik. Tot nu toe kon men ofwel een zeer nauwkeurig apparaat hebben, ofwel een apparaat dat verschillende golflengten redelijk goed kon dekken.
Een ander probleem met halfgeleiderlasers is dat hun prestaties aanzienlijk afnemen bij hogere temperaturen. Wanneer een halfgeleiderlaser heet wordt, verliest hij vermogen, efficiëntie en kan zelfs beschadigd raken. Hierdoor is het onmogelijk gebleken om langdurig, continu zonder sprongen af te stellen over een breed spectrum.
Studie naar halfgeleider-ringlasers
Door deze beperkingen te erkennen, gingen ingenieurs van Harvard en wetenschappers van andere gerenommeerde instellingen aan de slag om de eerste breed-spectrum, zeer nauwkeurige halfgeleiderlaser te creëren. Ze documenteerden hun reis in de studie “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers” gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Optica.
Het artikel onthult hun werk aan een nieuw type afstelbare halfgeleiderlaser dat een ring-array quantum cascade laser (QCL) architectuur gebruikt om soepele afstelbaarheid te bieden terwijl een uitgebreid spectraal bereik wordt ondersteund. Opmerkelijk is dat quantum-cascade lasers halfgeleiderlasers zijn die stralen in het verre-infraroodspectrum genereren.
Ring-QCL-ontwerp: onafhankelijke, adresseerbare arrays
Het team begon hun werk met het creëren van meerdere kleine, onafhankelijk adresseerbare ring-QCL's. Opmerkelijk is dat ringlasers twee lichtstralen met dezelfde polarisatie hebben. Deze stralen worden in tegenovergestelde richtingen rond een gesloten lus geleid die door spiegels wordt gevormd. Deze aanpak maakt nauwkeurige metingen van de kleinste beweging mogelijk. Daardoor worden ringlasers vaak gebruikt in navigatiesystemen als gyroscopen.
In dit geval creëerde de wetenschapper de ringlasers met behulp van actief materiaal van een quantum cascade laser en een droog-etsproces. Daarnaast kregen de ringen elk elektrische contacten en een bus-golflengtegeleider. De ingenieurs merkten op dat deze aanpak de prestaties verbeterde door de optische verliezen van de bus-golflengtegeleider te verminderen.
Elke ring werd ontwikkeld met een verschillende straal. Het gebruik van ringen met verschillende afmetingen creëerde verschillende lasfrequenties voor elke ring. Deze aanpak stelde de ingenieurs in staat elke ring afzonderlijk af te stellen zonder verlies van lasprestaties.
Enkelvoudige-modus emissie bereiken met ringkoppelaars
Deze unieke aanpak stelde de ingenieurs in staat meerdere ringen samen te gebruiken om specifieke vermogens en golflengten te genereren. Het systeem maakte het mogelijk de stralen van elke ring te combineren in één golflengtegeleider via evanescent directionele koppelaars langs rechte secties van de lasers. Bovendien voorkwamen de directionele koppelaars gain-rastering door te garanderen dat het licht slechts in één richting voortbeweegt.
Golflengtegeleideremissie via facet-gebaseerd ontwerp
Het team merkte op dat hun laser een unieke methode van lichtemissie gebruikt. Dit systeem maakt gebruik van een facet-uitstralingsbenadering die door een bus-golflengtegeleider loopt. De golflengtegeleider kan worden gebruikt om de lasergolflengten naar behoefte af te stellen en te versterken bij kamertemperatuur.
Modulair ringlaserontwerp maakt schaalbaarheid mogelijk
Het modulaire ontwerp van deze laseropstelling betekent dat ingenieurs het kunnen schalen om aan elke behoefte te voldoen. Bovendien kunnen de ringlasers gelijktijdig of in enkelringmodus worden gebruikt. Hierdoor levert het combineren van lasers een sterker en intensiever straal op, wat het ideaal maakt voor bepaalde hightech-toepassingen.
Test van halfgeleider-ringlasers
De ingenieurs gingen hun theorieën testen in de cleanroomfaciliteiten van het Center for Micro and Nanostructures van TU Wien. Hier creëerden ze een lasapparaat met 5 ringen, elk met een verschillende straal. Concreet varieerden de ringmaten van 220 tot 260 µm.
Na de creatie testte het team verschillende laseropstellingen en golflengten. In één geval combineerden ze het afstelbereik van drie verschillende ringen om een modus-sprongvrije afstelling over brede bandbreedtes te testen.
Resultaten van de test van halfgeleider-ringlasers
De testresultaten bevestigden de modellen van de ingenieurs. Het team merkte op dat de enkelring-QCL een straal van maximaal 0,5 mW kon uitzenden in continue‑golfmodus bij kamertemperatuur. De test toonde ook aan dat de laserchip een stabiele golflengte‑output behield, ondanks intense optische injectie op de laserfacet. Deze tests bewezen dat het nieuwe laserontwerp bestand is tegen hoge niveaus van optische terugkoppeling.
Daarnaast merkten de ingenieurs op dat de prestaties vergelijkbaar waren met multi‑section DFB‑lasers. Deze ontdekking was een belangrijke mijlpaal, omdat het betekent dat deze lasers kunnen worden vervaardigd zonder een uniek raster langs het actieve gebied van elke laser te hoeven maken.
Specifiek kon het team de drie laserringen gebruiken om optische bandbreedtes van 266 GHz tot 395 GHz soepel te scannen. De sweep‑actie was vloeiend en er was minimale spectrale overlap tussen elke ring. Opmerkelijk is dat het apparaat een opmerkelijk stabiele stralingsproductie leverde onder hoge hoeveelheden optische injectie.
Voordelen van halfgeleider-ringlasers
| Kenmerk | Traditionele afstelbare lasers | Ring‑array halfgeleiderlasers |
|---|---|---|
| Golflengte‑afstelling | Één golflengte tegelijk | Meerdere golflengten gelijktijdig afstellen |
| Formaat | Omslachtig met externe onderdelen | Compact, chip‑schaal modulair ontwerp |
| Productie‑complexiteit | Vereist ingewikkelde rasterstructuren | Geen raster in het actieve gebied nodig |
| Thermische stabiliteit | Gevoelig voor warmte; prestaties dalen | Stabiele continue‑golfemissie bij kamertemperatuur |
Deze studie zal veel voordelen voor de lasermarkt opleveren. Ten eerste heeft dit ontwerp geen bewegende delen en is het veel eenvoudiger en betaalbaarder te produceren. Door de kosten voor het maken van high‑end lasers te verlagen, wordt de deur geopend voor meer toepassingsscenario’s en bredere adoptie.
Kleine afmeting
Het apparaat heeft een klein formaat dat ringlasers gebruikt die naar behoefte opgeschaald of afgeschaald kunnen worden. Deze strategie maakt fijne afstelling van de golflengte en stabiele emissie mogelijk. Kleinere lasers zullen toekomstige technologieën en draagbare apparaten stimuleren.
Opmerkelijk is dat traditionele afstelbare lasers één golflengte tegelijk uitstralen. Daarentegen maakt de modulariteit van ring‑array lasers het mogelijk dat meerdere ringen gelijktijdig werken en individuele golflengten targeten met een andere ringstraal.
Verminderde terugkoppeling en verbeterde stralingsstabiliteit
Het gebruik van meerdere ringlasers en unidirectionele koppelaars helpt de terugreflectie te verminderen, een probleem dat eerdere laserontwerpen teisterde. Hierdoor kan deze structuur krachtige lasers ondersteunen die meer energie aankunnen om sterkere stralen te creëren dan hun voorgangers konden produceren.
Praktische toepassingen van halfgeleider-ringlasers
Er zijn verschillende praktische toepassingen voor deze technologie. Ten eerste zijn lasers een cruciaal concurrentie‑element in veel hedendaagse high‑tech sectoren. Het creëren van krachtigere en nuttigere apparaten zal helpen de kosten van huidige technologieën te verlagen en de introductie van innovatieve producten te versnellen. Hieronder staan enkele andere toepassingsgebieden voor deze technologie.
Communicatie
De telecommunicatiesector is voortdurend op zoek naar krachtigere lasers. Deze nieuwste ontwikkeling kan helpen supernetwerken te creëren die in staat zijn tot hogesnelheidsdatatransmissie op een niveau dat voorheen onvoorstelbaar was. Deze apparaten zouden op een dag data door het universum kunnen verzenden, waardoor ruimtevaarders op miljoenen mijlen afstand contact met de aarde kunnen houden.
Medisch
De medische sector gebruikt lasers om vele redenen. Van het scannen op aandoeningen tot het corrigeren van het gezichtsvermogen, er zijn talloze manieren waarop deze lasers de gezondheid van miljoenen in de toekomst zullen verbeteren. De kleinere afmeting en de verhoogde flexibiliteit en nauwkeurigheid zullen een nieuwe generatie geautomatiseerde medische diensten en procedures aandrijven.
Veiligheid
Krachtige laserscanners zijn een essentieel onderdeel in diverse industrieën, waaronder de gas‑ en chemische sectoren. Deze apparaten scannen op de kleinste problemen om catastrofale storingen te voorkomen. Deze technologie kan helpen bij het opsporen van lekken in gasleidingen, infrastructuurverval en andere cruciale taken die de bevolking veilig houden.
Tijdlijn van halfgeleider-ringlasers
Halfgeleider-ringlasers kunnen de markt binnen de komende 5‑7 jaar betreden. Er is een onmiddellijke vraag naar deze technologie, en fabrikanten zullen er gretig gebruik van maken om kleinere en geavanceerdere producten te creëren. Deze tijdlijn zal korter zijn voor militaire integratie, waar een versnelde ontwikkeling kan plaatsvinden om te voldoen aan de groeiende eisen van toekomstige slagvelden.
Onderzoekers van halfgeleider-ringlasers
De studie naar halfgeleider-ringlasers was een gezamenlijke inspanning van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en de Technische Universiteit Wien (TU Wien). Het onderzoek werd mede geleid door Federico Capasso en Vinton Hayes. Daarnaast vermeldt de studie Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak en Benedikt Schwarz als cruciale bijdragers. Opmerkelijk is dat het Department of Defense en de National Science Foundation financiering voor de studie hebben verstrekt via een subsidie.
Wat staat er op de agenda voor halfgeleider-ringlasers?
De onderzoekers zijn bezig hun werk te patenteren. Vervolgens zullen ze fabrikanten zoeken om de productiekosten nog verder te verlagen. Daarnaast zal het team de effecten onderzoeken van het opschalen van het apparaat met meer ringen.
Investeren in de lasersector
Veel bedrijven in de lasersector hebben een reputatie opgebouwd voor kwaliteit en uitstekende service. Deze bedrijven hebben gedurende decennia miljoenen geïnvesteerd in onderzoek naar de meest energie‑efficiënte en bruikbare lasers. Hier is één bedrijf dat zijn steentje heeft bijgedragen aan het leveren van betrouwbare apparaten aan de markt.
Laser Photonics Corporation
Laser Photonics Corporation
LASE Prijsgrafiek
(LASE )
Laser Photonics Corporation heeft een reputatie als marktleider verworven dankzij haar solide bedrijfspraktijken en betrouwbare lasers. Deze apparaten bieden onderhoudsvrije high‑performance oplossingen aan de markt. Bovendien richt het bedrijf zich op het milieuvriendelijk en duurzaam maken van haar producten.
In oktober 2022 organiseerde Laser Photonics Corporation een beursintroductie die $55 miljoen aan financiering opleverde. Sindsdien heeft het bedrijf haar aanbod en klantenbestand voortdurend uitgebreid. Vandaag bedient Laser Photonics Corporation verschillende Fortune‑500 bedrijven en wordt het beschouwd als een marktleider.
Halfgeleider-ringlasers | Conclusie
Er is veel om enthousiast over te zijn bij het bespreken van de studie naar afstelbare halfgeleiderlasers. Deze apparaten kunnen meerdere industrieën hervormen en de kosten en afmetingen van toekomstige elektronica verlagen. Het feit dat hun apparaat eenvoudiger te vervaardigen is dan de huidige opties en een breed en nauwkeurig golflengte‑afstelbereik biedt in een compact, chip‑formaat, maakt het een winst voor de hele sector.
Ontdek andere coole doorbraken hier.
Gerefereerde studies:
1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso, and Benedikt Schwarz, “Continuously and widely tunable semiconductor ring lasers,” Optica 12, 985-990 (2025)
