激光器的革命性：可調諧半導體環形激光器

來自維也納理工大學 （TU Wien） 和哈佛大學約翰 A. 保爾森工程與應用科學學院 （SEAS） 的科學家團隊剛剛推出了一種制造可調諧半導體環形激光器的新方法。這些先進的激光器有可能提供高功率通信、更先進的安全系統等等。以下是您需要了解的內容。

可調諧激光器的類型及其優勢

在 Theodore H. Maiman 演示第一臺使用合成紅寶石棒的激光器后僅 6 年，研究人員才開始研究可調諧激光器。與前代固定波長產品不同，它們可以設置為發射各種波長的光，使其成為光通信和顯微鏡等精密應用的理想選擇。因此，可調諧激光器已成為當今高科技和醫療領域的重要組成部分。

可調諧激光器類別：氣體、光纖、OPO 和半導體

如今，有許多不同類型的可調諧激光器，包括氣體激光器、光纖激光器、光學參量振蕩器 （OPO） 和半導體激光器。可調諧半導體激光器被許多人視為最先進的選擇。它們外形緊湊，支持寬波長，并提供足夠的功率。

可調諧激光器的缺點

可調諧激光器技術在功能上取得了巨大飛躍。然而，仍然存在許多限制阻礙該技術發揮其最大潛力。例如，具有寬波長范圍的可調諧激光器通常提供較低的精度。此外，這些設備的制造成本及其整體脆弱性已被視為其進步的障礙。

如何調諧半導體激光器

創建和調整半導體激光器有兩種主要方法。第一種方法需要在激光脊上添加精確的光柵。該光柵在納米尺度上以精確角度切割，以產生頻率選擇性光學反饋。這種設置允許工程師放大特定波長，并通過改變激光器的電流來減少來自他人的干擾。

第二種調諧半導體激光器的方法利用外部腔體。在這種布置中，旋轉衍射光柵將精確的波長反射到腔體中。將波長激發到激光中的腔體可以通過旋轉來調整。

當今半導體激光器的問題

半導體激光領域有一些缺點，工程師們多年來一直在試圖克服這些缺點。首先，精度和射程能力之間保持平衡。到目前為止，您可以擁有一個非常精確的設備，或者一個可以很好地覆蓋各種波長的設備。

半導體激光器的另一個問題是，隨著溫度升高，它們的性能會顯著下降。當半導體激光器變熱時，它會失去功率、效率，甚至可能損壞。因此，不可能在廣泛的頻譜上實現長期、連續的無跳躍調諧。

半導體環形激光器研究

認識到這些局限性，哈佛大學的工程師和來自其他知名機構的科學家著手創造第一臺廣譜、高精度的半導體激光器。他們在科學雜志 Optica 上發表的研究“連續且廣泛可調的半導體環形激光器”中記錄了他們的旅程。

該論文揭示了他們在一種新型可調諧半導體激光器方面的工作，該激光器利用環形陣列量子級聯激光器（QCL）架構提供平滑的可調性，同時支持擴展的光譜范圍。值得注意的是，量子級聯激光器是產生遠紅外光譜光束的半導體激光器。

環形 QCL 設計：獨立、可尋址陣列

該團隊通過創建多個小型、獨立可尋址的環形 QCL 開始了他們的工作。值得注意的是，環形激光器具有兩束相同偏振的光束。這些光束圍繞鏡子創建的閉合環以相反的方向對準。這種方法可以準確測量最微小的運動。因此，環形激光器通常用作導航系統中的陀螺儀。

在這種情況下，科學家使用量子級聯激光活性材料和干法蝕刻工藝創造了環形激光器。此外，每個環都添加了電觸點和總線波導。工程師們指出，這種方法提供了增強的性能，減少了總線波導的光損耗。

每個環都被開發成具有不同的半徑。使用不同尺寸的環為每個空間創造了不同的激光頻率。這種方法使工程師能夠單獨調整每個環，而不會出現任何激光下降。

使用環形耦合器實現單模發射

這種獨特的方法使工程師能夠同時利用多個環來產生特定的功率和波長。該系統允許工程師通過沿激光器直線部分的倏逝定向耦合器將來自每個環的光束組合成一個波導。敏銳的是，定向耦合器通過確保光僅沿一個方向傳播來防止增益光柵。

通過基于刻面的設計進行波導發射

該團隊指出，他們的激光器采用了一種獨特的發光方法。該系統依賴于通過總線波導的面發射方法。波導可用于在室溫下根據需要調整和放大激光頻率。

模塊化環形激光器設計可實現可擴展性

這種激光器裝置的模塊化設計意味著工程師可以對其進行擴展以滿足任何需求。此外，環形激光器可以同時運行或以單環模式運行。因此，組合激光器會產生更強、更強的光束，使其成為某些高科技應用的理想選擇。

半導體環形激光器測試

工程師們出發在維也納工業大學的微納米結構中心潔凈室設施中測試他們的理論。在這里，他們創造了一個帶有 5 個環的激光裝置，每個環都有不同的半徑。具體來說，環尺寸從 220 到 260 μm 不等。

創建后，該團隊隨后測試了不同的激光設置和波長。在一個例子中，他們結合了三個不同環的調諧范圍，以測試寬帶寬上的無跳模調諧。

半導體環形激光器測試結果

測試結果證實了工程師的模型。該團隊指出，單環 QCL 在室溫下連續波運行時可以發射高達 0.5 mW 的光束。測試還表明，盡管激光面進行了強烈的光學注入，但激光芯片仍保持穩定的波長輸出。這些測試表明，新的激光器設計在高水平的光反饋下具有彈性。

此外，工程師們還指出，其性能與多截面 DFB 激光器相當。這一發現是一個巨大的里程碑，因為這意味著這些激光器無需沿著每個激光器的有源區域制造獨特的光柵即可制造。

具體來說，該團隊能夠利用三個激光環平滑掃描 266 GHz 至 395 GHz 的光帶寬。掃掠動作很平滑，每個環之間的光譜重疊極小。值得注意的是，該設備在大量光注入下產生了非常穩定的光束。

半導體環形激光器的優勢

這項研究將為激光市場帶來許多好處。其一，這種設計沒有移動部件，制造起來更容易且價格實惠。通過降低制造高端激光器的成本，它為更多用例場景和進一步采用打開了大門。

小尺寸

該設備外形小巧，利用環形激光器，可以放大或縮小以滿足特定需求。這種策略允許對波長進行微調和穩定發射。更小的激光器將有助于推動未來的技術和可穿戴設備的發展。

值得注意的是，傳統的可調諧激光器一次發射一個波長。相比之下，環形陣列激光器的模塊化使多個環形激光器能夠同時運行，并使用不同的環形半徑瞄準單個波長。

減少反饋并提高光束穩定性

使用多個環形激光器和單向耦合器有助于減少背向反射，這種反射一直困擾著以前的激光器設計。因此，這種結構可以支持強大的激光器，這些激光器可以處理更多的能量，從而產生比其前身更強的光束。

半導體環形激光器的實際應用

這項技術有多種實際應用。其一，激光器是當今許多高科技領域的重要競爭者。創造更強大、更有用的設備將有助于降低當今技術的成本，同時推動創新產品的推出。以下是這項技術的其他一些用例。

通信

電信行業一直在尋找更強大的激光器。這一最新發展可能有助于創建能夠以前所未有的水平進行高速數據傳輸的超級網絡。有一天，這些設備可用于在宇宙中傳輸數據，讓太空旅行者在數百萬英里外與地球保持聯系。

醫療

醫療領域使用激光的原因有很多。從掃描疾病到矯正視力，這些激光將以多種方式幫助改善未來數百萬人的健康。更小的尺寸以及更高的靈活性和準確性將有助于為新一代自動化醫療服務和程序提供動力。

安全

高功率激光掃描儀是包括天然氣和化工行業在內的多個行業的重要組成部分。這些設備會掃描最輕微的問題，以防止災難性故障。這項技術可以幫助檢測天然氣管道泄漏、基礎設施衰減以及其他確保人口安全的關鍵任務。

半導體環形激光器時間表

半導體環形激光器可能會在未來 5-7 年內投放市場。對這項技術的需求是直接的，制造商將渴望利用它來制造更小、更先進的產品。軍事整合的時間表將更短，這可能會加快發展，以滿足未來戰場不斷增長的需求。

半導體環形激光器研究人員

半導體環形激光器研究是哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院 （SEAS） 和維也納理工大學 （TU Wien） 的聯合努力。該研究由費德里科·卡帕索和文頓·海耶斯共同領導。此外。該研究將 Johannes Fuchsberger、Theodore P. Letsou、Dmitry Kazakov、Rolf Szedlak 和 Benedikt Schwarz 列為關鍵貢獻者。值得注意的是，國防部和美國國家科學基金會通過贈款為這項研究提供了資金。

半導體環形激光器的下一步是什么？

研究人員正在為他們的工作申請專利。從那里，他們將尋找制造商開始進一步降低生產成本。此外，該團隊將研究使用更多環縮放設備的效果。

投資激光行業

激光行業的許多公司都以質量和優質服務而享有盛譽。幾十年來，這些公司花費了數百萬美元研究如何制造最節能、最有用的激光器。這是一家公司盡自己的一份力量為市場提供可靠的設備。

Laser Photonics Corporation 憑借其扎實的商業實踐和可靠的激光器贏得了行業領導者的聲譽。這些設備為市場提供免維護的高性能解決方案。此外，該公司專注于使其產品具有環境安全性和可持續性。

2022 年 10 月，Laser Photonics Corporation 舉辦了 IPO，獲得了 $55M 的資金。從那時起，該公司不斷擴大其產品和客戶群。如今，激光光子學公司為多家財富 500 強公司提供服務，并被視為行業領導者。

半導體環形激光器 |結論

在討論可調諧半導體激光器研究時，有很多值得興奮的事情。這些設備可以重塑多個行業，并幫助或降低未來電子產品的成本和尺寸。事實上，他們的設備比當今的選項更容易創建，并且以緊湊的芯片大小格式提供廣泛而精確的波長調諧，這使其成為整個行業的勝利。