Σε μια απόκλιση από τις τυπικές προσεγγίσεις κλειδώματος μοντέλου, μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τους καθηγητές Giacomo Scalari και Jerome Faist στο Τμήμα Φυσικής στο ETH Ζυρίχης και τον καθηγητή Christian Jirauschek στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου, δημιούργησαν ένα μονολιθικό λέιζερ ημιαγωγού κλειδωμένου μοντέλου με συνεχή και ευρέως επαναλαμβανόμενο ρυθμό από G4Hz. Και, περιέργως, η προσέγγισή τους θα πρέπει να λειτουργεί για άλλα λέιζερ ημιαγωγών και μήκη κύματος εκπομπής λέιζερ.
Για να το καταφέρουν, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα κβαντικό λέιζερ καταρράκτη terahertz (THz) (QCL) για να παράγουν συνεκτικές χτένες συχνότητας. Ενώ είναι γνωστό ότι τα THz QCLs μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία χτενών, η πρόσφατη ανάπτυξη της ομάδας επίπεδων THz QCL με βελτιωμένες ιδιότητες μικροκυμάτων τους ενθάρρυνε να εξερευνήσουν την ισχυρή διαμόρφωση της κοιλότητας του λέιζερ χρησιμοποιώντας εξωτερικά μικροκύματα-και ανακάλυψαν διάφορα νέα συστήματα λειτουργίας λέιζερ ημιαγωγών.
"Η συσκευή μας βασίζεται σε ένα επίπεδο επίπεδο QCL THz. Το υλικό της ενεργής περιοχής αποτελείται από ένα υπερπλέγμα αρσενιδίου του γαλλίου (GaAs)/αρσενιούχου γαλλίου (AlGaAs), γκοφρέτα-συγκολλημένο σε ένα υπόστρωμα φορέα GaAs", εξηγεί ο Urban Senica, ο οποίος ήταν Ph.D. φοιτητής στο ETH Ζυρίχης αλλά τώρα είναι μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Εργαστήριο Οπτικής Νανοκλίμακας του Πανεπιστημίου του Χάρβαρντ. "Με τη χρήση φωτολιθογραφίας και ξηρής χάραξης, ορίζεται ένας ενεργός κυματοδηγός κορυφογραμμής και στη συνέχεια επιπεδοποιείται με το πολυμερές βενζοκυκλοβουτένιο χαμηλής-απώλειας (BCB). Ένας κυματοδηγός τοποθετείται κατακόρυφα ανάμεσα σε δύο εκτεταμένα στρώματα επιμετάλλωσης, τα οποία περιορίζουν τις οπτικές και μικροκυματικές επαφές της συσκευής λέιζερ και ενεργούν ως ηλεκτρικές επαφές."
Αυτή η διαμόρφωση έχει ως αποτέλεσμα χαμηλές απώλειες διάδοσης, μειώνει τη χρωματική διασπορά, αυξάνει τη διάχυση θερμότητας και βελτιώνει τις ιδιότητες μικροκυμάτων, επειδή το λέιζερ είναι ενσωματωμένο σε έναν κυματοδηγό μικροκυμάτων χαμηλής-απώλειας, χαμηλής{1}}σύνθετης αντίστασης.
Ενεργό κλείδωμα μοντέλων
Η μέθοδος της ομάδας βασίζεται στο ενεργό κλείδωμα μοντέλων, το οποίο περιλαμβάνει τη διαμόρφωση της τάσης πόλωσης λέιζερ μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού σήματος για τη δημιουργία μιας σειράς συνεκτικών βραχέων οπτικών παλμών (μια χτένα συχνότητας). Σε προηγούμενες επιδείξεις, αυτό λειτούργησε μόνο εάν η συχνότητα του σήματος διαμόρφωσης συγχρονιζόταν με το χρόνο που χρειάζεται το φως για να ταξιδέψει μεταξύ των δύο κατόπτρων του λέιζερ (καθορίζεται από τις διαστάσεις της φυσικής κοιλότητας).
«Δείξαμε ένα εντελώς νέο καθεστώς, στο οποίο μπορούμε συνεχώς και ευρέως να συντονίζουμε τη συχνότητα του ρυθμού επανάληψης του παλμού έως και 400%,» λέει ο Senica. "Αυτή η εξαιρετική δυνατότητα συντονισμού επιτυγχάνεται με το σχηματισμό μιας μόνιμης ταλάντωσης μικροκυμάτων κατά μήκος ολόκληρης της κοιλότητας του λέιζερ, η οποία έχει ως αποτέλεσμα ένα εφέ έλξης παλμού που επιταχύνει ή επιβραδύνει τον οπτικό παλμό για να συγχρονίζεται πάντα με την εξωτερική συχνότητα διαμόρφωσης."
Έλεγχος της ταχύτητας των οπτικών παλμών στο τσιπ- μέσω μικροκυμάτων
Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες πτυχές αυτής της εργασίας είναι «μπορούμε ουσιαστικά να ελέγξουμε την ταχύτητα των οπτικών παλμών σε ένα φωτονικό τσιπ με μικροκύματα», λέει ο Senica. "Σε μια απλή αναλογία, είναι παρόμοιο με ένα κύμα νερού που σπρώχνει έναν σέρφερ προς τα εμπρός. Με πιο τεχνικούς όρους, υπάρχει μια εξαρτώμενη συχνότητα-μετατόπιση φάσης μεταξύ του μικροκυμάτων και του οπτικού παλμού και η προκύπτουσα κλίση κέρδους/απώλειας έχει ως αποτέλεσμα μια τροποποιημένη ομαδική ταχύτητα του οπτικού παλμού, έτσι ώστε η νέα συχνότητα επανάληψης να αντιστοιχεί σε αυτή τη στιγμή της εξωτερικής συχνότητας. διαδικασία, με καλή συμφωνία μεταξύ των πειραματικών και των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης."
Όλο αυτό το έργο είναι το επιστέγασμα πολλών ετών σημαντικών τεχνικών και επιστημονικών προόδων, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού και της ανάπτυξης μοριακής επιτακτικής δέσμης της ενεργού περιοχής ευρυζωνικού λέιζερ. την προσομοίωση, την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό επιπεδοποιημένων QCL THz. και εκτενείς αναλυτικές και αριθμητικές προσομοιώσεις της διαμορφωμένης κοιλότητας λέιζερ.
Ένα βασικό μέρος της δουλειάς της ομάδας αφορούσε προηγμένες προσομοιώσεις των συσκευών τους. «Συγκεκριμένα, οι συνεργάτες μας στο TU Munich στη Γερμανία ανέπτυξαν μια νέα προσέγγιση προσομοίωσης για τη μοντελοποίηση ολόκληρης της διαμορφωμένης κοιλότητας λέιζερ», λέει ο Senica. "Αυτό περιλαμβάνει τη μοντελοποίηση του κβαντικού συστήματος του λέιζερ, τη διάδοση των μικροκυμάτων και τη δημιουργία οπτικών παλμών-συνδυάζοντας τρεις διαφορετικούς τομείς σε μια ενιαία μελέτη προσομοίωσης, αναπαράγοντας με ακρίβεια τα πειραματικά αποτελέσματα και παρέχοντας κρίσιμες πληροφορίες για τη δυναμική του λέιζερ."
Επικοινωνίες, φασματοσκοπία και εφαρμογές ανίχνευσης μπροστά
Χάρη στα συνεχώς και ευρέως ρυθμιζόμενα λέιζερ με κλειδωμένο τρόπο λειτουργίας, υπάρχουν πολλές πιθανές εφαρμογές για επικοινωνίες, φασματοσκοπία και ανίχνευση. «Για τον τομέα του χρόνου, η συνεκτική σειρά παλμών μπορεί να συγχρονιστεί με ένα αυθαίρετο εξωτερικό σήμα μικροκυμάτων ή μια ρυθμιζόμενη γραμμή καθυστέρησης», λέει ο Senica. "Για τον τομέα συχνότητας, η συντονίσιμη απόσταση λειτουργίας μέσα στη χτένα συχνότητας μπορεί να κλείσει τυχόν φασματικά κενά."
Στην πραγματικότητα, ο Senica και οι συνεργάτες του είχαν ήδη παρουσιάσει ένα πείραμα φασματοσκοπίας απορρόφησης που απαιτούσε μόνο έναν απλό ανιχνευτή έντασης-και όχι ένα επιτραπέζιο-όργανο φασματόμετρου μεγέθους.
«Πιστεύουμε ότι η προσέγγισή μας θα είναι επίσης σχετικά απλή στην εφαρμογή με άλλους τύπους λέιζερ ημιαγωγών στις υπέρυθρες και ορατές περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος και θα ανοίξει το δρόμο για μια μεγάλη ποικιλία εφαρμογών», λέει ο Senica. «Μια σημαντική πτυχή θα είναι οι βελτιστοποιημένες ιδιότητες των μικροκυμάτων, μαζί με την προηγμένη συσκευασία τέτοιων συσκευών».
