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原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
實(shí)現(xiàn)與大體積氣體和固體激光器相媲美(甚至取代)的大規(guī)模單模、高功率、高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器是光子學(xué)和激光物理的終極目標(biāo)之一。然而，傳統(tǒng)的高功率半導(dǎo)體激光器由于多模振蕩的出現(xiàn)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)光束質(zhì)量差的問(wèn)題，而且在連續(xù)波( CW )工作條件下，振蕩會(huì)受到破壞性熱效應(yīng)的影響。
有鑒于此，京都大學(xué)Susumu Noda等人通過(guò)在光子晶體內(nèi)部控制厄密和非厄密耦合，并預(yù)先安裝晶格常數(shù)的空間分布來(lái)開(kāi)發(fā)大規(guī)模的光子晶體表面發(fā)射激光器來(lái)克服這些挑戰(zhàn)，即使在連續(xù)波條件下也能保持這些耦合。對(duì)于具有3?mm大諧振直徑的光子晶體表面發(fā)射激光器，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)50?W的純單模振蕩和0.05 °的極窄光束發(fā)散角，對(duì)應(yīng)于材料中超過(guò)10000個(gè)波長(zhǎng)。其亮度達(dá)到1?GW?cm-2?sr-1，兼具輸出功率和光束質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，可與現(xiàn)有體積龐大的激光器媲美。該工作是單模千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器問(wèn)世的一個(gè)重要里程碑，有望在不久的將來(lái)取代傳統(tǒng)的、體積更大的激光器。
厄米特和非厄米特控制的 PCSEL
首先，作者描述了在大規(guī)模PCSEL中實(shí)現(xiàn)單模振蕩的策略。通過(guò)控制雙晶格光子晶體中的厄米特和非厄米特耦合，使對(duì)應(yīng)于（第一）高階模的波數(shù)的輻射常數(shù)充分大于基模的輻射常數(shù)。作者說(shuō)明了雙晶格結(jié)構(gòu)中厄米特和非厄米特耦合，由于四個(gè)基波之間的這種光學(xué)耦合，構(gòu)建了四個(gè)諧振腔模式。
圖 控制光子晶體內(nèi)部的厄米特和非厄米特光學(xué)耦合
開(kāi)發(fā)直徑3mm的PCSEL
基于上述策略，開(kāi)發(fā)了一種直徑為3 mm的PCSEL，其R和I值通過(guò)改變雙晶格結(jié)構(gòu)的晶格間距和氣孔尺寸的平衡來(lái)控制，其μ值通過(guò)改變p-AlGaAs包層的厚度來(lái)控制，作者展示了基于保留氣孔的金屬-有機(jī)氣相外延再生長(zhǎng)技術(shù)制造的3毫米直徑PCSEL成品。首先測(cè)量了制造器件的Γ點(diǎn)周圍模式A和C的頻率和輻射常數(shù)，然后通過(guò)擬合方程給出的分析值估計(jì)耦合系數(shù)R，I和μ，然后測(cè)量了PCSEL在脈沖條件下的激光特性，實(shí)現(xiàn)了0.045°的非常窄的光束發(fā)散角。
圖 開(kāi)發(fā)直徑為3毫米的PCSEL并演示脈沖操作下非常窄的光束發(fā)散
高亮度CW單模 PCSEL
由于熱量的積累，CW電流注入會(huì)在PCSEL內(nèi)部引起空間上不均勻的溫度分布。基于對(duì)光子、載流子和熱效應(yīng)之間相互作用的自洽分析，在CW條件下模擬了熱積累對(duì)3毫米直徑PCSEL激光特性的影響。結(jié)果清楚地表明，由于溫度引起的和晶格常數(shù)引起的帶邊頻率變化相互抵消，獲得了均勻的頻率分布，預(yù)計(jì)將獲得具有非常窄的發(fā)散角的單模光束的發(fā)射。
圖 引入晶格常數(shù)分布，在CW操作下實(shí)現(xiàn)3毫米直徑PCSEL的單模振蕩
50 W單模CW操作演示
應(yīng)用上述策略，作者開(kāi)發(fā)了具有預(yù)裝晶格常數(shù)分布的3毫米直徑 PCSEL，器件的耦合系數(shù)估計(jì)為R≈ 24 cm?1、I≈14 cm?1和μ ≈ 44 cm?1，閾值電流為25A，斜率效率約為 0.72W A?1。在 100-110A 的注入電流下，從單芯片 PCSEL獲得了超過(guò)50W的CW輸出功率。這些結(jié)果表明，預(yù)先安裝的晶格常數(shù)分布以及雙晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)部厄米特和非厄米特耦合的控制有助于實(shí)現(xiàn)純單模、高光束質(zhì)量、高功率CW操作超大面積PCSEL。
圖 3毫米直徑PCSEL的50 W單模CW操作演示
參考文獻(xiàn)：
Yoshida, M., Katsuno, S., Inoue, T. et al. High-brightness scalable continuous-wave single-mode photonic-crystal laser. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06059-8
