Δημιουργήθηκε νέο λέιζερ ημιαγωγών μονής λειτουργίας: Ταυτόχρονη κλιμάκωση υψηλής ισχύος και μεγέθους
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ (UC Berkeley) ανέπτυξαν πρόσφατα έναν νέο τύπο λέιζερ ημιαγωγών που ονομάζεται BerkSEL. Τα αποτελέσματα δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature στις 29 Ιουνίου.
Σχηματική εικόνα του Berkley Surface Emission Laser (BerkSEL), με τη δέσμη της αντλίας σε μπλε και τη δέσμη λέιζερ σε κόκκινο.
Η ταυτόχρονη αύξηση του μεγέθους και της ισχύος των λέιζερ μονής λειτουργίας είναι μια πρόκληση στην οπτική από τότε που κατασκευάστηκε το πρώτο λέιζερ το 1960. Και αυτή η εργασία δείχνει ότι το μέγεθος δεν χρειάζεται να έχει το κόστος της συνοχής, η οποία επιτρέπει στα λέιζερ να είναι πιο ισχυρά και σταθερό και καλύπτει μεγαλύτερες αποστάσεις σε πολλές εφαρμογές.
Μια ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Boubacar Kanté, αναπληρωτή καθηγητή στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Επιστήμης Υπολογιστών (EECS) στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ, και επιστημόνων στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley, παρουσίασαν ένα φιλμ ημιαγωγών με ομοιόμορφα διατρήσεις οπών σε απόσταση και ίδιου μεγέθους που μπορούν να λειτουργήσουν ως επεκτάσιμη κοιλότητα λέιζερ. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η δέσμη λέιζερ εκπέμπει ένα σταθερό μήκος κύματος ανεξάρτητα από το μέγεθος αυτής της κοιλότητας λέιζερ.
Στα συμβατικά λέιζερ, το συνεκτικό κατευθυντικό φως μονού μήκους κύματος αρχίζει να διασπάται καθώς η κοιλότητα του λέιζερ αυξάνεται σε μέγεθος. Η τυπική λύση είναι η χρήση ενός εξωτερικού μηχανισμού όπως ένας κυματοδηγός για την ενίσχυση της δέσμης, ωστόσο, αυτό καταλαμβάνει πολύ χώρο. Εξαλείφοντας την ανάγκη για εξωτερική ενίσχυση, οι ερευνητές μπορούν τώρα να μειώσουν το μέγεθος και να αυξήσουν την απόδοση των τσιπ υπολογιστών και άλλων εξαρτημάτων που εξαρτώνται από λέιζερ.
Αυτή η εργασία σχετίζεται ιδιαίτερα με την τεχνολογία λέιζερ που εκπέμπει κάθετη επιφάνεια κοιλότητας (VCSEL). Στο VCSELS, το φως εκπέμπεται κάθετα από την επάνω επιφάνεια του τσιπ. τα VCSEL έχουν συνήθως μόνο λίγα μικρά πλάτος και η τρέχουσα στρατηγική που χρησιμοποιείται για την ενίσχυση της ισχύος τους είναι να συγκεντρωθούν εκατοντάδες μεμονωμένα VCSEL μαζί. Επειδή τα λέιζερ είναι ανεξάρτητα, έχουν διαφορετικές φάσεις και μήκη κύματος, επομένως οι δυνάμεις τους δεν συνδυάζονται με συνέπεια - κάτι που είναι αποδεκτό σε εφαρμογές όπως η αναγνώριση προσώπου, αλλά εντελώς ανεφάρμοστο σε εφαρμογές όπου η ακρίβεια είναι κρίσιμη, όπως οι επικοινωνίες ή η χειρουργική επέμβαση.
Ο σχεδιασμός λέιζερ "BerkSEL" που αναπτύχθηκε στο UC Berkeley καθιστά δυνατή την πιο αποτελεσματική εκπομπή φωτός σε μία λειτουργία, βασισμένη κυρίως στις φυσικές ιδιότητες του φωτός που διέρχεται από οπές σε λεπτές μεμβράνες. Το φιλμ που ανέπτυξαν είναι ένα φωσφίδιο αρσενιούχου ινδίου γαλλίου πάχους 200-nm (ένας ημιαγωγός που χρησιμοποιείται συνήθως στην τεχνολογία οπτικών ινών και τηλεπικοινωνιών). Οι ερευνητές σημειώνουν ότι αυτές οι κανονικές τρύπες είναι χαραγμένες με φωτολιθογραφία και πρέπει να έχουν σταθερό μέγεθος, σχήμα και απόσταση - μπορούν να λειτουργούν ως σημεία Dirac, ένα τοπολογικό χαρακτηριστικό των δισδιάστατων υλικών που βασίζεται στη γραμμική διασπορά της ενέργειας.
Επιπλέον, δεδομένου ότι η φάση του φωτός που διαδίδεται από το ένα σημείο στο άλλο είναι ίση με το δείκτη διάθλασης πολλαπλασιαζόμενο με την απόσταση που διανύθηκε. Δεδομένου ότι ο δείκτης διάθλασης είναι μηδέν στο σημείο Dirac, το φως που εκπέμπεται από διαφορετικά μέρη του ημιαγωγού βρίσκεται ακριβώς στην ίδια φάση και επομένως είναι οπτικά πανομοιότυπο. Ο Walid Redjem, συν-επικεφαλής της μελέτης και μεταδιδακτορικός υπότροφος EECS, είπε: "Η ταινία στη μελέτη μας έχει περίπου 3,000 τρύπες, αλλά θεωρητικά, θα μπορούσε να έχει ένα εκατομμύριο ή ένα δισεκατομμύριο τρύπες και το αποτέλεσμα θα ήταν το ίδιο».
Οι ερευνητές χρησιμοποιούν τώρα ένα υψηλής ενέργειας παλμικό λέιζερ για την οπτική άντληση και τροφοδοσία της συσκευής BerkSEL και τη μέτρηση της εκπομπής από κάθε άνοιγμα χρησιμοποιώντας ένα ομοεστιακό μικροσκόπιο βελτιστοποιημένο για φασματοσκοπία εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας. Προσαρμόζοντας τις προδιαγραφές σχεδιασμού, όπως το μέγεθος του ανοίγματος και το υλικό ημιαγωγών, τα λέιζερ ημιαγωγών "BerkSELs" μπορούν να εκπέμπουν σε διαφορετικά μήκη κύματος στόχου.
Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερες πληροφορίες για το MRJ-Laser, επισκεφθείτε:
Μηχάνημα καθαρισμού με λέιζερ:https://www.mrj-laserclean.com/laser-cleaning-machine/
Μηχανή σήμανσης λέιζερ:https://www.mrj-laserclean.com/laser-marking-machine/
Μηχανή συγκόλλησης με λέιζερ:https://www.mrj-laserclean.com/laser-welding-machine/
