Rewolucja w laserach: technologia pierścieni półprzewodnikowych z możliwością strojenia

Zespół naukowców z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien) i Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) właśnie zaprezentował nową metodę wytwarzania przestrajalnych półprzewodnikowych laserów pierścieniowych. Te zaawansowane lasery mają potencjał, aby zapewnić komunikację o dużej mocy, bardziej zaawansowane systemy bezpieczeństwa i wiele więcej. Oto, co musisz wiedzieć.

Rodzaje laserów strojonych i ich zalety

Zaledwie 6 lat po tym, jak Theodore H. Maiman zademonstrował pierwszy laser wykorzystujący syntetyczny pręt rubinowy, naukowcy rozpoczęli prace nad laserami przestrajalnymi. W przeciwieństwie do swoich poprzedników o stałej długości fali, można je skonfigurować tak, aby emitowały światło o różnych długościach fal, co czyni je idealnymi do zastosowań precyzyjnych, takich jak komunikacja optyczna i mikroskopia. W związku z tym lasery przestrajalne stały się kluczowym elementem współczesnej medycyny i zaawansowanych technologii.

Kategorie laserów strojonych: gazowe, światłowodowe, OPO i półprzewodnikowe

Obecnie istnieje wiele różnych typów laserów przestrajalnych, w tym lasery gazowe, lasery światłowodowe, optyczne oscylatory parametryczne (OPO) i lasery półprzewodnikowe. Przestrajalne lasery półprzewodnikowe są przez wielu uważane za najbardziej zaawansowane rozwiązanie. Oferują kompaktowe wymiary, obsługują szeroką długość fali i zapewniają odpowiednią moc.

Wady laserów strojonych

Technologia laserów strojonych odnotowała ogromny wzrost możliwości. Nadal jednak istnieje wiele ograniczeń, które uniemożliwiają jej osiągnięcie pełnego potencjału. Na przykład, lasery strojone o szerokim zakresie fal często zapewniają mniejszą precyzję. Ponadto, koszty produkcji tych urządzeń i ich ogólna kruchość są postrzegane jako bariery utrudniające ich rozwój.

Jak dostroić lasery półprzewodnikowe

Istnieją dwie główne metody tworzenia i strojenia laserów półprzewodnikowych. Pierwsza metoda wymagała dodania precyzyjnej siatki dyfrakcyjnej do grzbietu lasera. Siatka ta jest cięta pod precyzyjnymi kątami w skali nano, aby uzyskać selektywne częstotliwościowo sprzężenie zwrotne. Taka konfiguracja pozwala inżynierom wzmocnić określoną długość fali i zredukować zakłócenia pochodzące od innych fal poprzez zmianę prądu lasera.

Źródło - Lotnictwo Wojskowe

Druga metoda strojenia laserów półprzewodnikowych wykorzystuje zewnętrzną wnękę dyfrakcyjną. W tym układzie obracająca się siatka dyfrakcyjna odbija dokładnie taką długość fali, jaka jest potrzebna do wnęki. Wnęka, która wzbudza długość fali lasera, może być regulowana poprzez jej obrót.

Problemy z dzisiejszymi laserami półprzewodnikowymi

Technologia laserów półprzewodnikowych ma pewne wady, które inżynierowie od lat próbują przezwyciężyć. Po pierwsze, wciąż brakuje równowagi między precyzją a zasięgiem. Do tej pory można było mieć albo naprawdę precyzyjne urządzenie, albo takie, które z powodzeniem obejmowałoby różne długości fal.

Innym problemem związanym z laserami półprzewodnikowymi jest znaczny spadek ich wydajności wraz ze wzrostem temperatury. Gdy laser półprzewodnikowy się nagrzewa, traci moc, wydajność, a nawet może ulec uszkodzeniu. W związku z tym nie jest możliwe osiągnięcie długotrwałego, ciągłego, bezskokowego strojenia w szerokim spektrum.

Badanie laserów pierścieniowych półprzewodnikowych

Zdając sobie sprawę z tych ograniczeń, inżynierowie z Harvardu i naukowcy z innych renomowanych instytucji postanowili stworzyć pierwszy laser półprzewodnikowy o szerokim spektrum i wysokiej dokładności. Udokumentowali swoją podróż w badaniu „Lasery pierścieniowe półprzewodnikowe o ciągłej i szerokiej możliwości strojenia”opublikowano w naukowym czasopiśmie Optica.

Artykuł ujawnia ich prace nad nowym typem przestrajalnego lasera półprzewodnikowego, który wykorzystuje architekturę pierścieniowego lasera kaskadowego (QCL), zapewniającą płynne przestrajanie przy jednoczesnym rozszerzeniu zakresu widmowego. Co istotne, lasery kaskadowe to lasery półprzewodnikowe, które generują wiązki w zakresie dalekiej podczerwieni.

Konstrukcja pierścieniowej QCL: niezależne, adresowalne macierze

Zespół rozpoczął pracę od stworzenia wielu małych, niezależnie adresowalnych pierścieniowych laserów QCL. Warto zauważyć, że lasery pierścieniowe posiadają dwie wiązki światła o tej samej polaryzacji. Wiązki te są skierowane w przeciwnych kierunkach wokół zamkniętej pętli utworzonej przez lustra. Takie podejście pozwala na dokładne pomiary nawet najmniejszych ruchów. W związku z tym lasery pierścieniowe są powszechnie stosowane w systemach nawigacyjnych jako żyroskopy.

W tym przypadku naukowcy stworzyli lasery pierścieniowe, wykorzystując materiał aktywny lasera kaskadowego kwantowego i proces suchego trawienia. Dodatkowo, do każdego pierścienia dodano styki elektryczne i zastosowano falowód magistrali. Inżynierowie zauważyli, że takie podejście zapewnia lepszą wydajność, redukując straty optyczne w falowodzie magistrali.

Każdy pierścień został zaprojektowany tak, aby miał odrębny promień. Zastosowanie pierścieni o różnych rozmiarach pozwoliło na stworzenie odrębnych częstotliwości laserowych dla każdej przestrzeni. To podejście pozwoliło inżynierom na dostrojenie każdego pierścienia oddzielnie, bez spadku częstotliwości laserowej.

Osiągnięcie emisji jednomodowej przy użyciu sprzęgaczy pierścieniowych

To unikalne podejście pozwoliło inżynierom na wykorzystanie wielu pierścieni jednocześnie w celu uzyskania określonej mocy i długości fal. System pozwolił inżynierom na połączenie wiązek z każdego pierścienia w jeden falowód za pomocą zanikających sprzęgaczy kierunkowych wzdłuż prostych odcinków laserów. Co istotne, sprzęgacze kierunkowe zapobiegały powstawaniu siatki wzmocnienia, zapewniając, że światło przemieszczało się tylko w jednym kierunku.

Emisja falowodu poprzez konstrukcję opartą na fasetach

Zespół zauważył, że ich laser wykorzystuje unikalną metodę emisji światła. System ten opiera się na technologii emisji powierzchniowej, która przechodzi przez magistralę falowodową. Falowód może być używany do dostrajania i wzmacniania częstotliwości lasera w zależności od potrzeb w temperaturze pokojowej.

Modułowa konstrukcja lasera pierścieniowego zapewnia skalowalność

Modułowa konstrukcja tego systemu laserowego pozwala inżynierom na skalowanie go do dowolnych potrzeb. Dodatkowo, lasery pierścieniowe mogą pracować jednocześnie lub w trybie pojedynczego pierścienia. W rezultacie, połączenie laserów generuje silniejszą i intensywniejszą wiązkę, co czyni go idealnym rozwiązaniem dla niektórych zaawansowanych technologicznie zastosowań.

Test laserów pierścieniowych półprzewodnikowych

Inżynierowie wyruszyli, aby przetestować swoje teorie w pomieszczeniach czystych Centrum Mikro- i Nanostruktur Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu. Stworzyli tam urządzenie laserowe z 5 pierścieniami, z których każdy miał inny promień. Rozmiary pierścieni wahały się od 220 do 260 µm.

Po utworzeniu, zespół przetestował różne konfiguracje laserów i długości fal. W jednym przypadku połączyli zakres strojenia trzech różnych pierścieni, aby przetestować strojenie bez przeskoków modów w szerokim paśmie.

Wyniki testów laserów pierścieniowych półprzewodnikowych

Wyniki testów potwierdziły modele inżynierów. Zespół zauważył, że jednopierścieniowy laser QCL mógł emitować wiązkę o mocy do 0.5 mW w trybie fali ciągłej w temperaturze pokojowej. Test wykazał również, że układ laserowy utrzymywał stabilną długość fali wyjściowej pomimo intensywnego strumienia optycznego na powierzchni lasera. Testy te wykazały, że nowa konstrukcja lasera jest odporna na wysokie poziomy sprzężenia zwrotnego optycznego.

Ponadto inżynierowie zauważyli, że wydajność była porównywalna z wielosekcyjnymi laserami DFB. To odkrycie było ogromnym krokiem milowym, ponieważ oznaczało, że lasery te można wytwarzać bez konieczności tworzenia unikalnej siatki dyfrakcyjnej wzdłuż obszaru aktywnego każdego lasera.

Zespół był w stanie wykorzystać trzy pierścienie laserowe do płynnego przeszukiwania pasm optycznych w zakresie od 266 GHz do 395 GHz. Przeszukiwanie było płynne, a nakładanie się widm między poszczególnymi pierścieniami było minimalne. Co istotne, urządzenie zapewniło niezwykle stabilną generację wiązki przy dużej ilości wstrzykiwanego sygnału optycznego.

Zalety laserów pierścieniowych półprzewodnikowych

To badanie przyniesie wiele korzyści rynkowi laserów. Po pierwsze, konstrukcja ta nie posiada ruchomych części, a jej produkcja jest znacznie łatwiejsza i tańsza. Obniżając koszty produkcji laserów wysokiej klasy, otwiera ona drzwi do większej liczby scenariuszy zastosowań i szerszego zastosowania.

Mały rozmiar

Urządzenie ma niewielki rozmiar i wykorzystuje lasery pierścieniowe, które można skalować w górę lub w dół, aby spełnić specyficzne potrzeby. Taka strategia pozwala na precyzyjne dostrojenie długości fali i stabilną emisję. Mniejsze lasery przyczynią się do rozwoju przyszłych technologii i urządzeń noszonych.

Warto zauważyć, że tradycyjne lasery przestrajalne emitują jedną długość fali na raz. Natomiast modułowość laserów pierścieniowych umożliwia jednoczesną pracę wielu pierścieni i ukierunkowanie poszczególnych długości fal przy użyciu różnych promieni pierścienia.

Zmniejszone sprzężenie zwrotne i poprawiona stabilność wiązki

Zastosowanie wielu laserów pierścieniowych i sprzęgaczy jednokierunkowych pomaga zredukować odbicia wsteczne, które były problemem w poprzednich konstrukcjach laserów. Dzięki temu konstrukcja ta może obsługiwać lasery o dużej mocy, które mogą przetwarzać więcej energii, generując silniejsze wiązki niż ich poprzednicy.

Lasery pierścieniowe półprzewodnikowe – zastosowania w świecie rzeczywistym

Technologia ta ma wiele praktycznych zastosowań. Po pierwsze, lasery stanowią kluczową konkurencję w wielu współczesnych dziedzinach zaawansowanych technologii. Stworzenie bardziej wydajnych i użytecznych urządzeń pomoże obniżyć koszty obecnych technologii, a jednocześnie przyspieszy wprowadzanie innowacyjnych produktów. Oto kilka innych zastosowań tej technologii.

Komunikacja

Branża telekomunikacyjna nieustannie poszukuje coraz potężniejszych laserów. To najnowsze odkrycie może pomóc w stworzeniu supersieci zdolnych do szybkiej transmisji danych na poziomie wcześniej niewyobrażalnym. Urządzenia te mogłyby kiedyś posłużyć do przesyłania danych w całym wszechświecie, umożliwiając podróżnikom kosmicznym kontakt z Ziemią z odległości milionów mil.

Dyrektorem

Medycyna wykorzystuje lasery z wielu powodów. Od skanowania w celu wykrycia dolegliwości po korekcję wzroku – lasery te pomogą poprawić zdrowie milionów osób w przyszłości na wiele sposobów. Mniejszy rozmiar oraz większa elastyczność i dokładność pomogą w rozwoju nowej generacji zautomatyzowanych usług i procedur medycznych.

Bezpieczeństwo

Skanery laserowe dużej mocy są niezbędnym elementem w wielu gałęziach przemysłu, w tym w sektorze gazowym i chemicznym. Urządzenia te skanują w poszukiwaniu najmniejszych usterek, aby zapobiec katastrofalnym awariom. Technologia ta może pomóc w wykrywaniu wycieków w gazociągach, awarii infrastruktury i innych kluczowych zadań, które zapewniają bezpieczeństwo ludności.

Oś czasu laserów pierścieniowych półprzewodnikowych

Półprzewodnikowe lasery pierścieniowe mogą trafić na rynek w ciągu najbliższych 5-7 lat. Istnieje natychmiastowe zapotrzebowanie na tę technologię, a producenci będą chcieli wykorzystać ją do tworzenia mniejszych i bardziej zaawansowanych produktów. Ten harmonogram będzie krótszy w przypadku integracji wojskowej, co może skutkować przyspieszeniem rozwoju, aby sprostać rosnącym wymaganiom przyszłych pól bitew.

Naukowcy zajmujący się laserami pierścieniowymi półprzewodnikowymi

Badanie lasera pierścieniowego półprzewodnikowego było wspólnym przedsięwzięciem Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) oraz Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu (TU Wien). Badaniami współkierowali Federico Capasso i Vinton Hayes. Dodatkowo, w badaniu wymieniono Johannesa Fuchsbergera, Theodore'a P. Letsou, Dmitrija Kazakowa, Rolfa Szedlaka i Benedikta Schwarza jako kluczowych współautorów. Warto zaznaczyć, że Departament Obrony i Narodowa Fundacja Nauki (National Science Foundation) sfinansowały badanie w formie grantu.

Jakie są dalsze plany dotyczące laserów pierścieniowych półprzewodnikowych?

Naukowcy są w trakcie opatentowania swoich prac. Następnie będą szukać producentów, aby jeszcze bardziej obniżyć koszty produkcji. Dodatkowo zespół zbada efekty skalowania urządzenia z wykorzystaniem większej liczby pierścieni.

Inwestowanie w sektorze laserowym

Wiele firm z branży laserowej zyskało reputację dzięki jakości i doskonałej obsłudze. Firmy te przez dekady inwestowały miliony w badania nad tym, jak tworzyć najbardziej energooszczędne i użyteczne lasery. Oto jedna firma, która wniosła swój wkład w dostarczanie na rynek niezawodnych urządzeń.

Korporacja Laser Photonics 

Korporacja Laser Photonics

Firma weszła na rynek w 1981 roku, aby dostarczać na rynek wysokiej klasy lasery przemysłowe. Siedziba firmy znajduje się w Orlando na Florydzie i obecnie oferuje szeroką gamę produktów, w tym lasery do czyszczenia i cięcia oraz systemy obronne. (LASE )

Firma Laser Photonics Corporation zyskała reputację lidera branży dzięki solidnym praktykom biznesowym i niezawodnym laserom. Urządzenia te oferują bezobsługowe, wysokowydajne rozwiązania na rynku. Ponadto firma koncentruje się na tym, aby jej produkty były bezpieczne dla środowiska i zrównoważone.

W październiku 2022 roku Laser Photonics Corporation przeprowadziła pierwszą ofertę publiczną (IPO), która zapewniła jej finansowanie w wysokości 55 mln USD. Od tego czasu firma stale poszerza swoją ofertę i bazę klientów. Obecnie Laser Photonics Corporation obsługuje kilka firm z listy Fortune 500 i jest uznawana za lidera w branży.

Lasery pierścieniowe półprzewodnikowe | Wnioski

Dyskusja na temat badań nad przestrajalnymi laserami półprzewodnikowymi ma wiele powodów do ekscytacji. Urządzenia te mogą zrewolucjonizować wiele branż i przyczynić się do obniżenia kosztów oraz rozmiarów elektroniki przyszłości. Fakt, że ich urządzenie jest łatwiejsze w produkcji niż dzisiejsze rozwiązania i oferuje szeroki zakres precyzyjnego strojenia długości fali w kompaktowej, wielkości układu scalonego, czyni je korzystnym rozwiązaniem dla całej branży.

Dowiedz się o innych ciekawych przełomach w tym miejscu.

Przywoływane badania:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso i Benedikt Schwarz, „Ciągłe i szeroko przestrajalne lasery pierścieniowe półprzewodnikowe”, Optica 12, 985-990 (2025)}