Die neuesten Forschungsergebnisse zu Zweifarben-Halbleiterlasern
Halbleiter-Scheibenlaser (SDL-Laser), auch bekannt als vertikale Oberflächenemitterlaser mit externem Resonator (VECSEL), haben in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt. Sie vereinen die Vorteile der Halbleiterverstärkung und von Festkörperresonatoren. Sie überwinden nicht nur effektiv die Emissionsflächenbegrenzung des Einmodenbetriebs herkömmlicher Halbleiterlaser, sondern zeichnen sich auch durch ein flexibles Halbleiter-Bandlückendesign und hohe Materialverstärkung aus. Sie finden in einer Vielzahl von Anwendungsszenarien Verwendung, beispielsweise in rauscharmen Systemen.SchmallinienlaserDie Technologie umfasst unter anderem die Erzeugung ultrakurzer, hochfrequenter Pulse, die Erzeugung von Harmonischen höherer Ordnung und die Natriumleitsterntechnologie. Mit dem technologischen Fortschritt steigen auch die Anforderungen an die Wellenlängenflexibilität. So haben beispielsweise kohärente Lichtquellen mit zwei Wellenlängen in aufstrebenden Bereichen wie störungsfreiem Lidar, holographischer Interferometrie, Wellenlängenmultiplex-Kommunikation, Infrarot- und Terahertz-Erzeugung sowie optischen Frequenzkämmen mit mehreren Farben ein extrem hohes Anwendungspotenzial bewiesen. Die Erzielung einer hohen Leuchtdichte bei der Zweifarbenemission in Halbleiter-Scheibenlasern und die effektive Unterdrückung der Verstärkungskonkurrenz zwischen den Wellenlängen stellen nach wie vor eine Forschungsherausforderung in diesem Bereich dar.
Kürzlich wurde ein zweifarbigerHalbleiterlaserEin Team in China hat ein innovatives Chipdesign entwickelt, um diese Herausforderung zu bewältigen. Durch detaillierte numerische Untersuchungen fanden sie heraus, dass eine präzise Steuerung der temperaturabhängigen Quantentopf-Verstärkungsfilterung und der Halbleiter-Mikroresonator-Filtereffekte eine flexible Kontrolle der Zweifarbenverstärkung ermöglicht. Darauf aufbauend entwickelte das Team erfolgreich einen hochbrillanten Verstärkungschip für 960/1000 nm. Dieser Laser arbeitet im Grundmodus nahe der Beugungsgrenze und erreicht eine Ausgangsbrillanz von bis zu etwa 310 MW/cm²sr.
Die Verstärkungsschicht der Halbleiterscheibe ist nur wenige Mikrometer dick, und zwischen der Halbleiter-Luft-Grenzfläche und dem unteren verteilten Bragg-Reflektor bildet sich ein Fabry-Perot-Mikroresonator. Wird dieser Halbleiter-Mikroresonator als integrierter Spektralfilter des Chips betrachtet, lässt sich die Verstärkung des Quantentopfs modulieren. Die Filterwirkung des Mikroresonators und die Halbleiterverstärkung weisen unterschiedliche Temperaturdriftraten auf. In Kombination mit einer Temperaturregelung können die Ausgangswellenlängen umgeschaltet und reguliert werden. Basierend auf diesen Eigenschaften berechnete und legte das Team das Verstärkungsmaximum des Quantentopfs bei 950 nm und einer Temperatur von 300 K fest, wobei die Temperaturdriftrate der Verstärkungswellenlänge etwa 0,37 nm/K betrug. Anschließend entwarf das Team mithilfe der Transmissionsmatrixmethode den longitudinalen Begrenzungsfaktor des Chips mit Peakwellenlängen von etwa 960 nm bzw. 1000 nm. Simulationen ergaben eine Temperaturdriftrate von lediglich 0,08 nm/K. Durch den Einsatz der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD) für das epitaktische Wachstum und die kontinuierliche Optimierung des Wachstumsprozesses konnten hochwertige Verstärkungschips erfolgreich hergestellt werden. Die Messergebnisse der Photolumineszenz stimmen vollständig mit den Simulationsergebnissen überein. Um die thermische Belastung zu reduzieren und eine hohe Leistungsübertragung zu erreichen, wurde das Halbleiter-Diamant-Chip-Gehäuseverfahren weiterentwickelt.
Nach Abschluss der Chipverpackung führte das Team eine umfassende Bewertung der Laserleistung durch. Im Dauerstrichbetrieb lässt sich die Emissionswellenlänge durch Steuerung der Pumpleistung oder der Kühlkörpertemperatur flexibel zwischen 960 nm und 1000 nm einstellen. Innerhalb eines bestimmten Pumpleistungsbereichs kann der Laser auch im Zweiwellenlängenbetrieb mit einem Wellenlängenintervall von bis zu 39,4 nm arbeiten. Dabei erreicht die maximale Dauerstrichleistung 3,8 W. Gleichzeitig arbeitet der Laser im Grundmodus nahe der Beugungsgrenze mit einem Strahlqualitätsfaktor M² von nur 1,1 und einer Brillanz von ca. 310 MW/cm²sr. Das Team untersuchte außerdem das quasi-kontinuierliche Verhalten des Lasers.LaserDurch Einbringen des nichtlinearen optischen Kristalls LiB₃O₅ in den Resonator konnte das Summenfrequenzsignal erfolgreich beobachtet werden, wodurch die Synchronisation der beiden Wellenlängen bestätigt wurde.
Durch dieses ausgeklügelte Chipdesign wurde die organische Kombination von Quantentopf-Verstärkungsfilterung und Mikroresonatorfilterung realisiert und damit die Grundlage für die Entwicklung von Zweifarbenlaserquellen geschaffen. Dieser Ein-Chip-Zweifarbenlaser zeichnet sich durch hohe Helligkeit, hohe Flexibilität und präzise koaxiale Strahlausgabe aus. Seine Helligkeit ist international führend im Bereich der Ein-Chip-Zweifarben-Halbleiterlaser. In der Praxis dürfte diese Entwicklung die Detektionsgenauigkeit und Störfestigkeit von Mehrfarben-Lidar in komplexen Umgebungen durch die hohe Helligkeit und die Zweifarbeneigenschaften deutlich verbessern. Im Bereich der optischen Frequenzkämme kann sein stabiler Zweiwellenlängen-Ausgang wichtige Anwendungen wie präzise Spektralmessungen und hochauflösende optische Sensorik unterstützen.
Veröffentlichungsdatum: 23. September 2025