Учёные из Колледжа инженерии Грейнджера при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне впервые в своей области сообщили о лазерной генерации с фотонной накачкой из скрытого диэлектрического лазера с фотонным кристаллом, излучающего свет при комнатной температуре и безопасной для глаз длине волны. Их выводы, опубликованные в [IEEE Photonics Journal][1], улучшают существующие конструкции лазеров и открывают новые возможности для оборонных приложений.
Из истории лаборатории Кента Чокетта
Лаборатория Кента Чокетта, профессора электротехники и вычислительной техники, на протяжении десятилетий изучала VCSEL — тип поверхностно-излучающих лазеров, используемых в таких распространённых технологиях, как смартфоны, лазерные принтеры, сканеры штрих-кодов и даже транспортные средства. Но в начале 2020 года лаборатория Чокетта заинтересовалась новаторскими исследованиями японской группы, которая представила новый тип лазера — фотонно-кристаллические поверхностно-излучающие лазеры (PCSEL).
Особенности PCSEL
PCSEL — это новое направление в области полупроводниковых лазеров, в которых используется слой фотонного кристалла для получения лазерного излучения с такими желаемыми характеристиками, как высокая яркость и узкие круглые размеры пятна. Этот тип лазера полезен для оборонных приложений, таких как LiDAR — технология дистанционного зондирования, используемая для картографирования поля боя, навигации и отслеживания целей.
При поддержке Исследовательской лаборатории ВВС группа Чокетта хотела изучить эту новую технологию и добиться собственных успехов в развивающейся области.
«Мы считаем, что PCSEL будут чрезвычайно важны в будущем», — сказала Эрин Рафтери, аспирантка в области электротехники и вычислительной техники и ведущий автор статьи. «Они просто ещё не достигли промышленной зрелости, и мы хотели внести свой вклад в это».
Инновации в изготовлении PCSEL
PCSEL обычно изготавливают с использованием воздушных отверстий, которые встраиваются внутрь устройства после того, как полупроводниковый материал отрастает по периметру. Однако атомы полупроводника имеют свойство перестраиваться и заполнять эти отверстия, нарушая целостность и однородность структуры фотонного кристалла.
Чтобы решить эту проблему, инженеры из Иллинойского университета Грейнджера заменили воздушные отверстия твёрдым диэлектрическим материалом, чтобы предотвратить деформацию фотонного кристалла во время отрастания. Внедрив диоксид кремния внутрь полупроводникового отрастания как часть слоя фотонного кристалла, исследователи смогли продемонстрировать первую концепцию дизайна PCSEL со скрытыми диэлектрическими элементами.
«В первый раз, когда мы попытались отрастить диэлектрик, мы не знали, возможно ли это вообще», — сказала Рафтери. «В идеале для роста полупроводников вы хотите сохранить эту очень чистую кристаллическую структуру вплоть до базового слоя, чего трудно достичь с аморфным материалом, таким как диоксид кремния. Но мы действительно смогли вырастить материал вбок вокруг диэлектрика и соединиться сверху».
Перспективы использования
Члены научного сообщества ожидают, что в ближайшие 20 лет эти новые и усовершенствованные лазеры будут использоваться в автономных транспортных средствах, лазерной резке, сварке и космической связи. Тем временем инженеры Иллинойского университета будут совершенствовать свою текущую конструкцию, воссоздавая то же устройство с электрическими контактами, позволяющими подключать лазер к источнику питания.
«Для достижения этого результата необходим объединённый опыт Эрин и членов группы Минджу Ларри Ли, а также возможности и опыт Исследовательской лаборатории ВВС на базе ВВС Райт-Паттерсон», — сказал Чокетт. «Мы с нетерпением ждём работы диодного PCSEL».
[1]: https://ieeexplore.ieee.org/document/10965337
[University of Illinois Grainger College of Engineering][2]
[2]: https://grainger.illinois.edu/
[More from Optics][3]
[3]: https://www.physicsforums.com/forums/optics.300/