Revolutionerande lasrar: Avstämbar halvledarringteknik

Ett team av forskare från Tekniska universitetet i Wien (TU Wien) och Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har precis presenterat en ny metod för att tillverka avstämbara halvledarringlasrar. Dessa avancerade lasrar har potential att tillhandahålla högpresterande kommunikation, mer avancerade säkerhetssystem och mycket mer. Här är vad du behöver veta.

Typer av avstämbara lasrar och deras fördelar

Det var bara sex år efter att Theodore H. Maiman demonstrerade den första lasern med en syntetisk rubinstav som forskare började arbeta med avstämbara lasrar. Till skillnad från sina föregångare med fast våglängd kan de ställas in för att avge ljus över olika våglängder, vilket gör dem idealiska för användning i precisionstillämpningar som optisk kommunikation och mikroskopi. Som sådan har avstämbara lasrar blivit en avgörande komponent i dagens högteknologiska och medicinska områden.

Avstämbara laserkategorier: Gas, fiber, OPO:er och halvledare

Idag finns det många olika typer av avstämbara lasrar, inklusive gaslasrar, fiberlasrar, optiska parametriska oscillatorer (OPO) och halvledarlasrar. Avstämbara halvledarlasrar ses av många som det mest avancerade alternativet. De erbjuder en kompakt formfaktor, stöder en bred våglängd och ger tillräcklig effekt.

Nackdelar med avstämbara lasrar

Avstämbara lasertekniker har sett enorma framsteg i kapacitet. Det finns dock fortfarande många begränsningar som har hindrat tekniken från att nå sin maximala potential. Till exempel ger avstämbara lasrar med brett vågomfång ofta mindre precision. Dessutom har tillverkningskostnaderna för dessa enheter och deras övergripande ömtålighet setts som vägspärrar för deras utveckling.

Hur man finjusterar halvledarlasrar

Det finns två huvudmetoder för att skapa och finjustera halvledarlasrar. Den första metoden krävde att ett exakt gitter lades till laserryggen. Detta gitter skärs i exakta vinklar på nanoskala för att skapa frekvensselektiv optisk återkoppling. Denna uppställning gör det möjligt för ingenjörer att förstärka en viss våglängd och minska störningar från andra genom att ändra laserns ström.

Källa - Militär Aerospace

Den andra metoden för att justera halvledarlasrar använder en extern kavitet. I detta arrangemang reflekterar ett roterande diffraktionsgitter den exakta våglängden in i kaviteten. Kaviteten, som exciterar våglängden in i en laser, kan justeras genom att rotera den.

Problem med dagens halvledarlasrar

Halvledarlaserfältet har vissa nackdelar som ingenjörer har ägnat många år åt att försöka övervinna. För det första återstår balansen mellan precision och räckvidd. Fram tills nu har man antingen kunnat ha en riktigt exakt enhet eller en som kan täcka olika våglängder hyfsat.

Ett annat problem med halvledarlasrar är att de har en betydande minskning av prestanda när temperaturen stiger. När en halvledarlaser blir varm förlorar den kraft, effektivitet och kan till och med skadas. Därför har det varit omöjligt att uppnå långsiktig, kontinuerlig hoppfri avstämning över ett brett spektrum.

Studie av halvledarringlasrar

Medvetna om dessa begränsningar satte sig Harvard-ingenjörer och forskare från andra välrenommerade institutioner i kast med att skapa den första bredspektrum, mycket exakta halvledarlasern. De dokumenterade sin resa i studien "Kontinuerligt och brett avstämbara halvledarringlasrar”publicerad i den vetenskapliga tidskriften Optica.

Artikeln avslöjar deras arbete med en ny typ av avstämbar halvledarlaser som använder en ring-array kvantkaskadlaserarkitektur (QCL) för att ge jämn avstämbarhet samtidigt som den stöder ett utökat spektralområde. Kvantkaskadlasrar är särskilt kända som halvledarlasrar som skapar strålar i det fjärrinfraröda spektrumet.

Ring QCL-design: Oberoende, adresserbara matriser

Teamet började sitt arbete med att skapa flera små, oberoende adresserbara ring-QCL:er. Det är värt att notera att ringlasrar har två ljusstrålar med samma polarisering. Dessa strålar är riktade i motsatta riktningar runt en sluten slinga som skapas av speglar. Denna metod möjliggör noggranna mätningar av minsta rörelse. Därför används ringlasrar ofta i navigationssystem som gyroskop.

I det här fallet skapade forskaren ringlasrarna med hjälp av kvantkaskadlaseraktivt material och en torretsningsprocess. Dessutom hade varje ring elektriska kontakter och en bussvågledare. Ingenjörerna noterade att denna metod gav förbättrad prestanda och minskade optiska förluster i bussvågledaren.

Varje ring utvecklades för att ha en distinkt radie. Användningen av ringar i olika storlekar skapade distinkta laserfrekvenser för varje utrymme. Denna metod gjorde det möjligt för ingenjörerna att finjustera varje ring separat utan att uppleva några laserförluster.

Uppnå enlägesutsläpp med hjälp av ringkopplare

Denna unika metod gjorde det möjligt för ingenjörerna att använda flera ringar tillsammans för att skapa specifika effekter och våglängder. Systemet gjorde det möjligt för ingenjörerna att kombinera strålar från varje ring till en enda vågledare via evanescerande riktningskopplare längs raka sektioner av lasrarna. Riktkopplarna förhindrade förstärkningsgaller genom att säkerställa att ljuset bara färdades i en riktning.

Vågledaremission genom fasettbaserad design

Teamet noterade att deras laser använder en unik metod för ljusemission. Detta system bygger på en fasettemitterande metod som går genom en bussvågledare. Vågledaren kan användas för att finjustera och förstärka laserfrekvenserna efter behov vid rumstemperatur.

Modulär ringlaserdesign möjliggör skalbarhet

Den modulära designen av denna laseruppsättning innebär att ingenjörer kan skala den för att passa alla behov. Dessutom kan ringlasrarna användas samtidigt eller i enkelringläge. Genom att kombinera lasrar får man en starkare och mer intensiv stråle, vilket gör den idealisk för vissa högteknologiska tillämpningar.

Test av halvledarringlasrar

Ingenjörerna gav sig av för att testa sina teorier i renrumsanläggningarna vid TU Wiens Center for Micro and Nanostructures. Här skapade de en laseranordning med fem ringar, var och en med en distinkt radie. Mer specifikt varierade ringstorlekarna från 5 till 220 µm.

När de väl hade skapats testade teamet olika laseruppsättningar och våglängder. I ett fall kombinerade de avstämningsområdet för tre olika ringar för att testa modhoppsfri avstämning över breda bandbredder.

Resultat av test av halvledarringlasrar

Testresultaten bekräftade ingenjörernas modeller. Teamet noterade att den enkelringiga QCL:n kunde avge en stråle på upp till 0.5 mW i kontinuerlig vågdrift vid rumstemperatur. Testet visade också att laserchipet bibehöll en stabil våglängdsutgång, trots intensiv optisk injektion på laserfasetten. Dessa tester visade att den nya laserdesignen är motståndskraftig under höga nivåer av optisk återkoppling.

Dessutom noterade ingenjörerna att prestandan var jämförbar med flersektions DFB-lasrar. Denna upptäckt var en enorm milstolpe eftersom det innebär att dessa lasrar kan tillverkas utan behov av att tillverka ett unikt gitter längs den aktiva regionen av varje laser.

Mer specifikt kunde teamet använda de tre laserringarna för att smidigt svepa optiska bandbredder från 266 GHz till 395 GHz. Svepningen var jämn och det fanns minimal spektral överlappning mellan varje ring. Det är värt att notera att enheten skapade en anmärkningsvärt stabil strålproduktion under höga mängder optisk injektion.

Fördelar med halvledarringlasrar

Det finns många fördelar som den här studien kommer att ge lasermarknaden. För det första har denna design inga rörliga delar och är mycket enklare och mer prisvärd att tillverka. Genom att minska kostnaderna för att skapa avancerade lasrar öppnar den dörren för fler användningsscenarier och ytterligare implementeringar.

Liten storlek

Enheten har en liten formfaktor som använder ringlasrar som kan skalas upp eller ner för att möta specifika behov. Denna strategi möjliggör finjustering av våglängden och stabil emission. Mindre lasrar kommer att bidra till att driva framtida teknologier och bärbara enheter.

Det är värt att notera att traditionella avstämbara lasrar avger en enda våglängd åt gången. Däremot gör ring-array-lasrarnas modularitet det möjligt för flera ringar att arbeta samtidigt och rikta in sig på individuella våglängder med olika ringradier.

Minskad återkoppling och förbättrad strålstabilitet

Användningen av flera ringlasrar och enkelriktade kopplare bidrar till att minska bakreflektion, vilket har plågat tidigare laserkonstruktioner. Som sådan kan denna struktur stödja kraftfulla lasrar som kan hantera mer energi för att skapa starkare strålar än deras föregångare kunde producera.

Halvledarringlasrar Verkliga tillämpningar

Det finns flera verkliga tillämpningar för denna teknik. För det första är lasrar en avgörande konkurrens inom många av dagens högteknologiska områden. Att skapa kraftfullare och mer användbara enheter kommer att bidra till att sänka kostnaden för dagens teknik samtidigt som det driver på introduktionen av innovativa produkter. Här är några andra användningsområden för denna teknik.

Trygghet i vårdförloppet

Telekommunikationsindustrin letar ständigt efter kraftfullare lasrar. Denna senaste utveckling skulle kunna bidra till att skapa supernätverk som kan överföra höghastighetsdata på en nivå som tidigare varit otänkbar. Dessa enheter skulle en dag kunna användas för att överföra data över hela universum, vilket skulle hålla rymdresenärer i kontakt med jorden från miljontals kilometer bort.

Sjukvård

Inom sjukvården används lasrar av många anledningar. Från att skanna efter sjukdomar till att korrigera din syn finns det många sätt som dessa lasrar kommer att bidra till att förbättra hälsan för miljontals människor i framtiden. Den mindre storleken och ökade flexibiliteten och noggrannheten kommer att bidra till att driva en ny generation av automatiserade medicinska tjänster och procedurer.

Säkerhet

Kraftfulla laserskannrar är en viktig komponent i flera branscher, inklusive gas- och kemisektorerna. Dessa enheter skannar efter de minsta problem för att förhindra katastrofala fel. Denna teknik kan hjälpa till att upptäcka läckor i gasledningar, infrastrukturnedgångar och andra viktiga uppgifter som håller befolkningen säker.

Tidslinje för halvledarringlasrar

Halvledarringlasrar kan komma ut på marknaden inom de kommande 5–7 åren. Det finns en omedelbar efterfrågan på denna teknik, och tillverkare kommer att vara ivriga att använda den för att skapa mindre och mer avancerade produkter. Denna tidslinje kommer att bli kortare för militär integration, vilket kan leda till en snabbare utveckling för att möta de växande kraven på framtidens slagfält.

Forskare inom halvledarringlasrar

Studien av halvledarringlasrar var ett samarbete mellan Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och Vienna University of Technology (TU Wien). Forskningen leddes gemensamt av Federico Capasso och Vinton Hayes. Dessutom listar studien Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak och Benedikt Schwarz som viktiga bidragsgivare. Det är värt att notera att försvarsdepartementet och National Science Foundation finansierade studien via ett anslag.

Vad är nästa steg för halvledarringlasrar?

Forskarna är mitt uppe i att patentera sitt arbete. Därifrån kommer de att söka upp tillverkare för att börja minska produktionskostnaderna ytterligare. Dessutom kommer teamet att undersöka effekterna av att skala upp enheten med fler ringar.

Investeringar i lasersektorn

Många företag inom lasersektorn har skapat sig ett rykte för kvalitet och utmärkt service. Dessa företag har under årtiondena spenderat miljoner på att undersöka hur man skapar de mest energieffektiva och användbara lasrarna. Här är ett företag som har gjort sin del för att förse marknaden med pålitliga enheter.

Laser Photonics Corporation 

Laser Photonics Corporation

gick in på marknaden 1981 för att tillhandahålla avancerade industriella lasrar. Företaget är beläget i Orlando, Florida, och erbjuder för närvarande en rad produkter, inklusive laserrengöring, skärning och försvarssystem. (LASE )

Laser Photonics Corporation har fått ett rykte som branschledare tack vare sina solida affärsmetoder och pålitliga lasrar. Dessa enheter erbjuder underhållsfria högpresterande lösningar på marknaden. Dessutom fokuserar företaget på att göra sina produkter miljövänliga och hållbara.

I oktober 2022 börsnoterades Laser Photonics Corporation, vilket säkrade en finansiering på 55 miljoner dollar. Sedan dess har företaget kontinuerligt utökat sitt utbud och sin kundkrets. Idag betjänar Laser Photonics Corporation flera Fortune 500-företag och anses vara en branschledare.

Halvledarringlasrar | Slutsats

Det finns mycket att oroa sig för när man diskuterar studien av avstämbara halvledarlasrar. Dessa enheter skulle kunna omforma flera industrier och bidra till eller minska kostnaden och storleken på framtida elektronik. Det faktum att deras enhet är enklare att skapa än dagens alternativ och erbjuder bred och exakt våglängdsinställning i ett kompakt format i chipstorlek gör det till en vinst för hela branschen.

Lär dig mer om andra coola genombrott här..

Refererade studier:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso och Benedikt Schwarz, ”Kontinuerligt och brett avstämbara halvledarringlasrar”, Optica 12, 985-990 (2025)}