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El rendimiento óptico de los láseres verdes se mejora considerablemente

2022-03-30
El láser se considera uno de los mayores inventos de la humanidad en el siglo XX y su aparición ha promovido fuertemente el progreso de la detección, la comunicación, el procesamiento, la visualización y otros campos. Los láseres semiconductores son una clase de láseres que maduran antes y progresan más rápido. Tienen las características de tamaño pequeño, alta eficiencia, bajo costo y larga vida útil, por lo que son ampliamente utilizados. En los primeros años, los láseres infrarrojos basados ​​en sistemas GaAsInP sentaron las bases de la revolución de la información. . El láser de nitruro de galio (LD) es un nuevo tipo de dispositivo optoelectrónico desarrollado en los últimos años. El láser basado en el sistema de material GaN puede expandir la longitud de onda de trabajo desde el infrarrojo original hasta todo el espectro visible y ultravioleta. El procesamiento, la defensa nacional, la comunicación cuántica y otros campos han mostrado grandes perspectivas de aplicación.
El principio de la generación de láser es que la luz en el material de ganancia óptica es amplificada por la oscilación en la cavidad óptica para formar luz con fase, frecuencia y dirección de propagación altamente consistentes. Para los láseres semiconductores de tipo cresta que emiten por el borde, la cavidad óptica puede confinar la luz en las tres dimensiones espaciales. El confinamiento a lo largo de la dirección de salida del láser se logra principalmente cortando y recubriendo la cavidad resonante. En dirección horizontal El confinamiento óptico en dirección vertical se realiza principalmente mediante el uso de la diferencia de índice de refracción equivalente formada por la forma de la cresta, mientras que el confinamiento óptico en dirección vertical se realiza mediante la diferencia de índice de refracción entre diferentes materiales. Por ejemplo, la región de ganancia del láser infrarrojo de 808 nm es un pozo cuántico de GaAs y la capa de confinamiento óptico es AlGaAs con un índice de refracción bajo. Dado que las constantes de red de los materiales GaAs y AlGaAs son casi las mismas, esta estructura no logra el confinamiento óptico al mismo tiempo. Pueden surgir problemas de calidad del material debido a la falta de coincidencia de la red.
En los láseres basados ​​en GaN, el AlGaN con un índice de refracción bajo se suele utilizar como capa de confinamiento óptico y el (In)GaN con un índice de refracción alto se utiliza como capa de guía de ondas. Sin embargo, a medida que aumenta la longitud de onda de emisión, la diferencia del índice de refracción entre la capa de confinamiento óptico y la capa de guía de ondas disminuye continuamente, de manera que el efecto de confinamiento de la capa de confinamiento óptico sobre el campo de luz disminuye continuamente. Especialmente en los láseres verdes, tales estructuras no han podido confinar el campo de luz, por lo que la luz se filtrará a la capa de sustrato subyacente. Debido a la existencia de la estructura de guía de ondas adicional de la capa de confinamiento de aire/sustrato/óptica, la luz filtrada en el sustrato puede ser Se forma un modo estable (modo sustrato). La existencia del modo sustrato hará que la distribución del campo óptico en la dirección vertical ya no sea una distribución gaussiana, sino un "lóbulo del cáliz", y la degradación de la calidad del haz indudablemente afectará el uso del dispositivo.

Recientemente, en base a los resultados de una investigación de simulación óptica anterior (DOI: 10.1364/OE.389880), el grupo de investigación de Liu Jianping del Instituto de Nanotecnología de Suzhou, Academia de Ciencias de China, propuso utilizar material cuaternario AlInGaN cuya constante de red e índice de refracción pueden ajustarse al mismo tiempo que la capa de confinamiento óptico. La aparición del moho del sustrato, los resultados relacionados se publicaron en la revista Fundamental Research, que está dirigida y patrocinada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China. En la investigación, los experimentadores primero optimizaron los parámetros del proceso de crecimiento epitaxial para hacer crecer heteroepitaxialmente capas delgadas de AlInGaN de alta calidad con morfología de flujo escalonado en la plantilla de GaN/Zafiro. Posteriormente, el lapso de tiempo homoepitaxial de la capa gruesa de AlInGaN en el sustrato autoportante de GaN muestra que la superficie tendrá una morfología de cresta desordenada, lo que conducirá a un aumento de la rugosidad de la superficie, lo que afectará el crecimiento epitaxial de otras estructuras láser. Al analizar la relación entre la tensión y la morfología del crecimiento epitaxial, los investigadores propusieron que la tensión de compresión acumulada en la capa gruesa de AlInGaN es la razón principal de dicha morfología y confirmaron la conjetura al hacer crecer capas gruesas de AlInGaN en diferentes estados de tensión. Finalmente, al aplicar la capa gruesa AlInGaN optimizada en la capa de confinamiento óptico del láser verde, se suprimió con éxito la aparición del modo sustrato (Fig. 1).


Figura 1. Láser verde sin modo de fuga, (α) distribución de campo lejano del campo de luz en dirección vertical, (b) diagrama de puntos.

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