Revolusjonerende lasere: Avstemmbar halvlederringteknologi

Et team av forskere fra Vienna University of Technology (TU Wien) og Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har nettopp avduket en ny metode for å lage avstemmbare halvleder-ringlasere. Disse avanserte laserne har potensial til å gi kraftig kommunikasjon, mer avanserte sikkerhetssystemer og mye mer. Her er hva du trenger å vite.

Typer av justerbare lasere og deres fordeler

Det var bare seks år etter at Theodore H. Maiman demonstrerte den første laseren ved hjelp av en syntetisk rubinstang at forskere begynte å jobbe med avstemmbare lasere. I motsetning til sine forgjengere med fast bølgelengde, kan de settes opp til å sende ut lys over forskjellige bølgelengder, noe som gjør dem ideelle for bruk i presisjonsapplikasjoner som optisk kommunikasjon og mikroskopi. Som sådan har avstemmbare lasere blitt en avgjørende komponent i dagens høyteknologiske og medisinske felt.

Avstemmbare laserkategorier: Gass, fiber, OPO-er og halvledere

I dag finnes det mange forskjellige typer av justerbare lasere, inkludert gasslasere, fiberlasere, optiske parametriske oscillatorer (OPO-er) og halvlederlasere. Avjusterbare halvlederlasere blir av mange sett på som det mest avanserte alternativet. De tilbyr en kompakt formfaktor, støtter en bred bølgelengde og gir tilstrekkelig effekt.

Ulemper med justerbare lasere

Teknologien for avstemmbar laser har hatt enorme fremskritt i kapasitet. Det er imidlertid fortsatt mange begrensninger som har hindret teknologien i å nå sitt maksimale potensial. For eksempel gir avstemmbare lasere med brede bølgeområder ofte mindre presisjon. I tillegg har produksjonskostnadene for disse enhetene og deres generelle skjørhet blitt sett på som hindringer for deres fremskritt.

Slik justerer du halvlederlasere

Det finnes to hovedmetoder for å lage og finjustere halvlederlasere. Den første metoden krevde at et presist gitter ble lagt til laserryggen. Dette gitteret kuttes i nøyaktige vinkler på nanoskala for å skape frekvensselektiv optisk tilbakemelding. Dette oppsettet lar ingeniører forsterke en bestemt bølgelengde og redusere interferens fra andre ved å endre laserens strøm.

Kilde - Militær romfart

Den andre metoden for å justere halvlederlasere bruker et eksternt hulrom. I dette arrangementet reflekterer et roterende diffraksjonsgitter den nøyaktige bølgelengden inn i hulrommet. Hulrommet, som eksiterer bølgelengden inn i en laser, kan justeres ved å rotere det.

Problemer med dagens halvlederlasere

Halvlederlaserfeltet har noen ulemper som ingeniører har brukt mange år på å forsøke å overvinne. For det første gjenstår balansen mellom presisjon og rekkevidde. Frem til nå kunne man enten ha en virkelig presis enhet eller en som kunne dekke ulike bølgelengder på en anstendig måte.

Et annet problem med halvlederlasere er at de har en betydelig reduksjon i ytelse når temperaturen stiger. Når en halvlederlaser blir varm, mister den kraft og effektivitet, og kan til og med bli skadet. Som sådan har det vært umulig å oppnå langvarig, kontinuerlig hoppfri tuning over et bredt spekter.

Studie av halvlederringlasere

Harvard-ingeniører og forskere fra andre anerkjente institusjoner erkjente disse begrensningene og satte seg fore å lage den første bredspektrede, svært nøyaktige halvlederlaseren. De dokumenterte reisen sin i studien «Kontinuerlig og vidt avstemmbare halvlederringlaserepublisert i det vitenskapelige tidsskriftet Optica.

Artikkelen avslører arbeidet deres med en ny type avstemmbar halvlederlaser som bruker en ring-array kvantekaskadelaser (QCL)-arkitektur for å gi jevn avstemmbarhet samtidig som den støtter et utvidet spektralområde. Det er verdt å merke seg at kvantekaskadelasere er halvlederlasere som lager stråler i det fjerninfrarøde spekteret.

Ring QCL-design: Uavhengige, adresserbare arrayer

Teamet startet arbeidet sitt med å lage flere små, uavhengig adresserbare ring-QCL-er. Det er verdt å merke seg at ringlasere har to lysstråler med samme polarisasjon. Disse strålene er rettet i motsatte retninger rundt en lukket sløyfe laget av speil. Denne tilnærmingen muliggjør nøyaktige målinger av den minste bevegelse. Som sådan er ringlasere ofte brukt i navigasjonssystemer som gyroskoper.

I dette tilfellet laget forskeren ringlaserne ved hjelp av kvantekaskadelaseraktivt materiale og en tørretsingsprosess. I tillegg hadde hver av ringene elektriske kontakter og en bussbølgeleder. Ingeniørene bemerket at denne tilnærmingen ga forbedret ytelse og reduserte optisk tap av bussbølgelederen.

Hver ring ble utviklet for å ha en distinkt radius. Bruken av ringer i forskjellige størrelser skapte distinkte laserfrekvenser for hvert rom. Denne tilnærmingen tillot ingeniørene å justere hver ring separat uten å oppleve noen fall i laseringen.

Oppnå enkeltmodusutslipp ved bruk av ringkoblere

Denne unike tilnærmingen gjorde det mulig for ingeniørene å bruke flere ringer sammen for å skape spesifikk effekt og bølgelengder. Systemet tillot ingeniørene å kombinere stråler fra hver ring til én bølgeleder via evanescerende retningskoplinger langs rette deler av laserne. De retningskoplingene forhindret forsterkningsgitter ved å sikre at lyset bare beveget seg i én retning.

Bølgelederutslipp gjennom fasettbasert design

Teamet bemerket at laseren deres bruker en unik metode for lysutslipp. Dette systemet er basert på en fasettutsendelsesmetode som går gjennom en bussbølgeleder. Bølgelederen kan brukes til å justere og forsterke laserfrekvensene etter behov ved romtemperatur.

Modulær ringlaserdesign muliggjør skalerbarhet

Den modulære designen til dette laseroppsettet betyr at ingeniører kan skalere det for å passe ethvert behov. I tillegg kan ringlaserne betjenes samtidig eller i enkeltringmodus. Som sådan produserer kombinasjonen av lasere en sterkere og mer intens stråle, noe som gjør den ideell for visse høyteknologiske applikasjoner.

Test av halvlederringlasere

Ingeniørene dro ut for å teste teoriene sine ved renromsanleggene til TU Wien Center for Micro and Nanostructures. Her lagde de en laserenhet med fem ringer, hver med en distinkt radius. Ringstørrelsene varierte fra 5 til 220 µm.

Etter at de var opprettet, testet teamet forskjellige laseroppsett og bølgelengder. I ett tilfelle kombinerte de innstillingsområdet til tre forskjellige ringer for å teste modushoppfri innstilling over brede båndbredder.

Resultater av test av halvlederringlasere

Testresultatene bekreftet ingeniørenes modeller. Teamet bemerket at QCL-en med én ring kunne sende ut en stråle på opptil 0.5 mW i kontinuerlig bølgedrift ved romtemperatur. Testen viste også at laserbrikken opprettholdt en stabil bølgelengdeutgang, til tross for intens optisk injeksjon på laserfasetten. Disse testene viste at den nye laserdesignen er robust under høye nivåer av optisk tilbakekobling.

I tillegg bemerket ingeniørene at ytelsen var sammenlignbar med flerseksjoners DFB-lasere. Denne oppdagelsen var en stor milepæl, ettersom det betyr at disse laserne kan lages uten behov for å lage et unikt gitter langs det aktive området til hver laser.

Mer spesifikt klarte teamet å bruke de tre laserringene til å sveipe optiske båndbredder jevnt fra 266 GHz til 395 GHz. Sveipingen var jevn, og det var minimal spektral overlapping mellom hver ring. Det er verdt å merke seg at enheten skapte en bemerkelsesverdig stabil stråleproduksjon under store mengder optisk injeksjon.

Fordeler med halvlederringlasere

Denne studien vil gi lasermarkedet mange fordeler. For det første har denne designen ingen bevegelige deler og er mye enklere og rimeligere å produsere. Ved å redusere kostnadene ved å lage avanserte lasere, åpner den døren for flere bruksscenarioer og ytterligere adopsjoner.

Small Size

Enheten har en liten formfaktor som bruker ringlasere som kan skaleres opp eller ned for å møte spesifikke behov. Denne strategien muliggjør finjustering av bølgelengden og stabil emisjon. Mindre lasere vil bidra til å drive fremtidige teknologier og bærbare enheter.

Det er verdt å merke seg at tradisjonelle avstemmbare lasere sender ut én bølgelengde om gangen. I motsetning til dette gjør modulariteten til ring-array-lasere det mulig for flere ringer å operere samtidig og målrette individuelle bølgelengder ved å bruke en annen ringradius.

Redusert tilbakekobling og forbedret strålestabilitet

Bruken av flere ringlasere og enveiskoblere bidrar til å redusere tilbakerefleksjon, noe som har plaget tidligere laserdesign. Som sådan kan denne strukturen støtte kraftige lasere som kan håndtere mer energi for å skape sterkere stråler enn forgjengeren kunne produsere.

Halvleder-ringlasere – applikasjoner i den virkelige verden

Det finnes flere praktiske bruksområder for denne teknologien. For det første er lasere en avgjørende konkurranse innen mange av dagens høyteknologiske felt. Å lage kraftigere og mer nyttige enheter vil bidra til å redusere kostnadene for dagens teknologier, samtidig som det øker introduksjonen av innovative produkter. Her er noen andre bruksområder for denne teknologien.

kommunikasjon

Telekommunikasjonsbransjen er alltid på jakt etter kraftigere lasere. Denne siste utviklingen kan bidra til å lage supernettverk som er i stand til høyhastighets dataoverføring på et nivå som tidligere var utenkelig. Disse enhetene kan en dag brukes til å overføre data over hele universet, og dermed holde romfarere i kontakt med jorden fra millioner av kilometer unna.

Medisinsk

Det medisinske feltet bruker lasere av mange grunner. Fra å skanne etter plager til å korrigere synet ditt, finnes det mange måter disse laserne vil bidra til å forbedre helsen til millioner av mennesker i fremtiden. Den mindre størrelsen og økte fleksibiliteten og nøyaktigheten vil bidra til å drive en ny generasjon av automatiserte medisinske tjenester og prosedyrer.

Sikkerhet

Kraftige laserskannere er en viktig komponent i flere bransjer, inkludert gass- og kjemisk sektor. Disse enhetene skanner etter de minste problemer for å forhindre katastrofale feil. Denne teknologien kan bidra til å oppdage lekkasjer i gassrørledninger, forfall av infrastruktur og andre viktige oppgaver som holder befolkningen trygg.

Tidslinje for halvlederringlasere

Halvleder-ringlasere kan komme på markedet i løpet av de neste 5–7 årene. Det er en umiddelbar etterspørsel etter denne teknologien, og produsenter vil være ivrige etter å bruke den til å lage mindre og mer avanserte produkter. Denne tidslinjen vil være kortere for militær integrering, noe som kan føre til raskere utvikling for å møte de økende kravene fra fremtidens slagmarker.

Forskere på halvlederringlasere

Studien av halvlederringlasere var et samarbeid mellom Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og Vienna University of Technology (TU Wien). Forskningen ble ledet i fellesskap av Federico Capasso og Vinton Hayes. I tillegg nevnes Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak og Benedikt Schwarz som viktige bidragsytere. Det er verdt å merke seg at Forsvarsdepartementet og National Science Foundation ga finansiering til studien via et stipend.

Hva er det neste for halvleder-ringlasere?

Forskerne er i ferd med å patentere arbeidet sitt. Deretter vil de oppsøke produsenter for å begynne å redusere produksjonskostnadene ytterligere. I tillegg vil teamet undersøke effektene av å skalere enheten med flere ringer.

Investering i lasersektoren

Mange selskaper i lasersektoren har opparbeidet seg et rykte for kvalitet og utmerket service. Disse firmaene har brukt millioner på å undersøke hvordan de kan lage de mest energieffektive og nyttige laserne gjennom flere tiår. Her er ett selskap som har gjort sitt for å gi markedet pålitelige enheter.

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

kom inn på markedet i 1981 for å tilby avanserte industrielle lasere. Selskapet holder til i Orlando, Florida, og tilbyr for tiden en rekke produkter, inkludert laserrensing, skjæring og forsvarssystemer. (LASE )

Laser Photonics Corporation har sikret seg et rykte som en bransjeleder på grunn av sin solide forretningspraksis og pålitelige lasere. Disse enhetene tilbyr vedlikeholdsfrie høyytelsesløsninger til markedet. I tillegg fokuserer selskapet på å gjøre produktene sine miljøvennlige og bærekraftige.

I oktober 2022 ble Laser Photonics Corporation børsnotert og sikret en finansiering på 55 millioner dollar. Siden den gang har selskapet kontinuerlig utvidet tilbudet og kundekretsen sin. I dag betjener Laser Photonics Corporation flere Fortune 500-selskaper og regnes som en bransjeleder.

Halvlederringlasere | Konklusjon

Det er mye å glede seg til når man diskuterer studien av justerbare halvlederlasere. Disse enhetene kan omforme flere bransjer og bidra til eller redusere kostnadene og størrelsen på fremtidens elektronikk. Det faktum at enheten deres er enklere å lage enn dagens alternativer og tilbyr bred og presis bølgelengdejustering i et kompakt format på størrelse med en brikke, gjør det til en seier for hele bransjen.

Lær om andre kule gjennombrudd her..

Referert til studier:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso og Benedikt Schwarz, «Kontinuerlig og vidt justerbare halvlederringlasere», Optica 12, 985-990 (2025)}