द्विरंगी सेमीकंडक्टर लेझर्सवरील नवीनतम संशोधन

द्विरंगी सेमीकंडक्टर लेझर्सवरील नवीनतम संशोधन

सेमीकंडक्टर डिस्क लेझर्स (SDL लेझर्स), ज्यांना व्हर्टिकल एक्सटर्नल कॅव्हिटी सरफेस-एमिटिंग लेझर्स (VECSEL) असेही ओळखले जाते, यांनी अलिकडच्या वर्षांत खूप लक्ष वेधले आहे. यात सेमीकंडक्टर गेन आणि सॉलिड-स्टेट रेझोनेटर्सचे फायदे एकत्र येतात. हे केवळ पारंपरिक सेमीकंडक्टर लेझर्ससाठी सिंगल-मोड सपोर्टची उत्सर्जन क्षेत्राची मर्यादा प्रभावीपणे दूर करत नाही, तर यात लवचिक सेमीकंडक्टर बँडगॅप डिझाइन आणि उच्च मटेरियल गेन वैशिष्ट्ये देखील आहेत. हे कमी-आवाज (low-noise) सारख्या विविध प्रकारच्या अनुप्रयोगांमध्ये दिसून येते.अरुंद-लाइनविड्थ लेझरआउटपुट, अति-लघु उच्च-पुनरावृत्ती स्पंद निर्मिती, उच्च-क्रम हार्मोनिक निर्मिती, आणि सोडियम गाइड स्टार तंत्रज्ञान, इत्यादी. तंत्रज्ञानाच्या प्रगतीमुळे, त्याच्या तरंगलांबीच्या लवचिकतेसाठी उच्च आवश्यकता पुढे आल्या आहेत. उदाहरणार्थ, दुहेरी-तरंगलांबी सुसंगत प्रकाश स्रोतांनी अँटी-इंटरफेरन्स लिडार, होलोग्राफिक इंटरफेरोमेट्री, वेव्हलेंथ डिव्हिजन मल्टिप्लेक्सिंग कम्युनिकेशन, मध्य-अवरक्त किंवा टेराहर्ट्झ निर्मिती, आणि बहु-रंगी ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब्स यांसारख्या उदयोन्मुख क्षेत्रांमध्ये अत्यंत उच्च उपयोजन मूल्य प्रदर्शित केले आहे. सेमीकंडक्टर डिस्क लेझर्समध्ये उच्च-तेजस्वी दुहेरी-रंग उत्सर्जन कसे मिळवायचे आणि अनेक तरंगलांबींमधील गेन स्पर्धा प्रभावीपणे कशी दडपायची, ही या क्षेत्रातील नेहमीच एक संशोधनाची अडचण राहिली आहे.

अलीकडेच, दुहेरी रंगाचासेमीकंडक्टर लेझरचीनमधील एका संघाने या आव्हानाला सामोरे जाण्यासाठी एका नाविन्यपूर्ण चिप डिझाइनचा प्रस्ताव मांडला आहे. सखोल संख्यात्मक संशोधनाद्वारे त्यांना असे आढळले की, तापमानाशी संबंधित क्वांटम वेल गेन फिल्टरिंग आणि सेमीकंडक्टर मायक्रोकेव्हिटी फिल्टरिंग प्रभावांचे अचूक नियमन केल्यास ड्युअल-कलर गेनवर लवचिक नियंत्रण मिळवणे अपेक्षित आहे. यावर आधारित, त्या संघाने यशस्वीरित्या एक ९६०/१००० एनएम उच्च-तेजस्वी गेन चिप डिझाइन केली. हा लेझर विवर्तन मर्यादेजवळ मूलभूत मोडमध्ये कार्य करतो, आणि त्याची आउटपुट तेजस्विता अंदाजे ३१० मेगावॅट/सेमी²एसआर इतकी उच्च आहे.

सेमीकंडक्टर डिस्कचा गेन लेयर फक्त काही मायक्रोमीटर जाड असतो, आणि सेमीकंडक्टर-एअर इंटरफेस व तळाशी असलेल्या डिस्ट्रिब्युटेड ब्रॅग रिफ्लेक्टरच्या दरम्यान एक फॅब्री-पेरो मायक्रोकेव्हिटी तयार केली जाते. सेमीकंडक्टर मायक्रोकेव्हिटीला चिपचा अंगभूत स्पेक्ट्रल फिल्टर मानल्यास क्वांटम वेलच्या गेनचे मॉड्युलेशन होईल. त्याच वेळी, मायक्रोकेव्हिटी फिल्टरिंग इफेक्ट आणि सेमीकंडक्टर गेन यांचे तापमान बदलाचे दर (टेम्परेचर ड्रिफ्ट रेट्स) वेगवेगळे असतात. तापमान नियंत्रणासह, आउटपुट वेव्हलेंग्थचे स्विचिंग आणि नियमन साध्य केले जाऊ शकते. या वैशिष्ट्यांच्या आधारे, टीमने गणना करून क्वांटम वेलचा गेन पीक ३०० K तापमानावर ९५० nm वर निश्चित केला, ज्यामध्ये गेन वेव्हलेंग्थचा तापमान बदलाचा दर अंदाजे ०.३७ nm/K होता. त्यानंतर, टीमने ट्रान्समिशन मॅट्रिक्स पद्धतीचा वापर करून चिपच्या लॉंगिट्यूडिनल कन्स्ट्रेंट फॅक्टरची रचना केली, ज्यामध्ये पीक वेव्हलेंग्थ अनुक्रमे अंदाजे ९६० nm आणि १००० nm होत्या. सिम्युलेशनमधून असे दिसून आले की तापमान बदलाचा दर फक्त ०.०८ nm/K होता. एपिटॅक्सियल वाढीसाठी मेटल-ऑरगॅनिक केमिकल व्हेपर डिपॉझिशन तंत्रज्ञानाचा वापर करून आणि वाढ प्रक्रियेत सातत्याने सुधारणा करून, उच्च-गुणवत्तेच्या गेन चिप्स यशस्वीरित्या तयार करण्यात आल्या. फोटोल्युमिनेसन्सचे मापन परिणाम सिम्युलेशन परिणामांशी पूर्णपणे सुसंगत आहेत. थर्मल लोड कमी करण्यासाठी आणि उच्च-शक्ती प्रसारण साध्य करण्यासाठी, सेमीकंडक्टर-डायमंड चिप पॅकेजिंग प्रक्रिया अधिक विकसित करण्यात आली आहे.

चिप पॅकेजिंग पूर्ण झाल्यावर, टीमने त्याच्या लेझरच्या कार्यक्षमतेचे सर्वसमावेशक मूल्यांकन केले. सतत कार्यरत मोडमध्ये, पंप पॉवर किंवा हीट सिंकचे तापमान नियंत्रित करून, उत्सर्जन तरंगलांबी ९६० एनएम ते १००० एनएम दरम्यान लवचिकपणे समायोजित केली जाऊ शकते. जेव्हा पंप पॉवर एका विशिष्ट मर्यादेत असते, तेव्हा लेझर ३९.४ एनएम पर्यंतच्या तरंगलांबीच्या अंतरासह, दुहेरी-तरंगलांबी कार्यप्रणाली देखील साध्य करू शकतो. यावेळी, कमाल सतत तरंग शक्ती ३.८ वॅटपर्यंत पोहोचते. त्याच वेळी, लेझर विवर्तन मर्यादेजवळ मूलभूत मोडमध्ये कार्य करतो, ज्याचा बीम गुणवत्ता घटक M² केवळ १.१ असतो आणि चमक अंदाजे ३१० मेगावॅट/सेमी²एसआर इतकी जास्त असते. टीमने अर्ध-सतत तरंग कार्यक्षमतेवर देखील संशोधन केले.लेझररेझोनंट कॅव्हिटीमध्ये LiB₃O₅ नॉनलाइनर ऑप्टिकल क्रिस्टल घालून सम फ्रिक्वेन्सी सिग्नल यशस्वीरित्या पाहण्यात आला, ज्यामुळे दुहेरी तरंगलांबीच्या सिंक्रोनायझेशनची पुष्टी झाली.

या कल्पक चिप डिझाइनद्वारे, क्वांटम वेल गेन फिल्टरिंग आणि मायक्रोकेव्हिटी फिल्टरिंग यांचे सेंद्रिय संयोजन साधले गेले आहे, ज्यामुळे द्विरंगी लेझर स्रोतांच्या निर्मितीसाठी डिझाइनचा पाया घातला गेला आहे. कार्यप्रदर्शनाच्या निर्देशकांच्या बाबतीत, हा सिंगल-चिप द्विरंगी लेझर उच्च चमक, उच्च लवचिकता आणि अचूक कोॲक्सिअल बीम आउटपुट साध्य करतो. सिंगल-चिप द्विरंगी सेमीकंडक्टर लेझर्सच्या सध्याच्या क्षेत्रात, याची चमक आंतरराष्ट्रीय स्तरावर अग्रगण्य आहे. व्यावहारिक उपयोगाच्या दृष्टीने, याच्या उच्च चमक आणि द्विरंगी वैशिष्ट्यांचा फायदा घेऊन, हे यश जटिल वातावरणात मल्टी-कलर लिडारची शोध अचूकता आणि हस्तक्षेप-विरोधी क्षमता प्रभावीपणे वाढवेल अशी अपेक्षा आहे. ऑप्टिकल फ्रिक्वेन्सी कॉम्ब्सच्या क्षेत्रात, याचे स्थिर द्वि-तरंगलांबी आउटपुट अचूक स्पेक्ट्रल मापन आणि उच्च-रिझोल्यूशन ऑप्टिकल सेन्सिंग यांसारख्या अनुप्रयोगांसाठी महत्त्वपूर्ण आधार देऊ शकते.