Название:Разработка лазерных диодов и квазирешеток с новым типом селекции пространственных мод для энергоэффективных систем лазерной накачки и обработки материалов
Грантодатель:Гранты РНФ
Область знаний:02 - Физика и науки о космосе
Научная дисциплина:02-303 - Физика лазеров
Ключевые слова:Полупроводниковый лазер, оптический волновод, оптическая мода, качество лазерного пучка, фазированная лазерная решетка, лазерная накачка, лазерная обработка материалов
Тип:исследовательский
Руководитель(и):Паюсов,АС
Подразделения:
Код проекта:17-72-10060
Аннотация К перспективным технологиям ресурсосберегающей энергетики относятся лазерные системы обработки материалов, включающие резку, сварку, закаливание. В качестве источника когерентного излучения, непосредственно воздействующего на объект, используются твердотельные лазеры с ламповой или диодной накачкой, волоконные лазеры с диодной накачкой и непосредственно лазерные диоды (отдельные или в составе лазерных линеек и матриц). И в варианте использования напрямую, и в варианте использования для накачки от полупроводниковых лазеров и их сборок требуются высокое качество лазерного пучка, высокие мощность и КПД. Высокое качество пучка обеспечивает равномерное излучение, большую глубину фокуса, возможность сведения пучка в микронные размеры. Преимущество лазерных диодов – малые размеры кристалла – одновременно является причиной серьёзных трудностей в получении лазерного пучка высокого качества и малой расходимости, обусловленных дифракционными эффектами. Наилучшее качество пучка обеспечивают пространственно-одномодовые лазеры. Но мощность таких лазеров не превышает сотен милливатт и ограничена объёмом излучающей области, которая задаётся поперечными размерами волновода. Новые поколения систем на основе лазеров требует существенного увеличения их выходной оптической мощности, которое может быть обеспечено только за счёт увеличения ширины волновода. Расширение лазерного волновода приводит к многомодовой генерации, что ухудшает качество лазерного пучка и крайне негативно сказывается на возможностях практического применения лазеров. Формирование лазерного пучка происходит за счёт оптического волновода и резонатора, неотъемлемых компонентов любого лазера, в том числе и диодного. По этой причине прогресс в развитии полупроводниковых лазеров с улучшенными параметрами светового пучка связан именно с поиском новых решений в области лазерных оптических волноводов, что является тематикой предлагаемого проекта. Перспективными накачными источниками являются фазированные полупроводниковые лазерные решетки, представляющие, по сути, сборки синфазно работающих пространственно-одномодовых лазерных диодов. Выходной пучок в этом случае образуется в результате когерентного взаимодействия отдельных каналов и имеет малую расходимость, высокую мощность и качество. Серьёзной проблемой создания синфазных лазерных решёток является возникновение коллективных мод или супермод, количество которых равно числу лазерных каналов. Идеальная решётка должна подавлять все коллективные моды кроме одной. Несмотря на множество предложенных к настоящему времени подходов, эта задача пока эффективно не решена. Научная новизна проекта состоит в том, что будет разрабатываться конструкция пространственно-одномодового торцевого инжекционного лазера, одновременно сочетающая преимущества широкого вертикального волновода (малая расходимость пучка, высокая яркость) и широкого полоскового волновода (увеличенная мощность излучения, высокое качество пучка), и исследоваться принципиально новый механизм формирования излучения синфазной лазерной решётки. Конструкция лазера будет основана на развитии предложенной нами концепции широкого вертикального волновода полупроводниковых лазеров, основанной на связанных резонансных волноводах и получившей название CLOC (Coupled Large Optical Cavity). Конструкция использует эффект оптического туннелирования и позволяет селективно исключать из лазерной генерации моды высокого порядка. Мы планируем разработать пространственно-одномодовые лазеры, в которых концепция CLOC одновременно используется в двух направлениях: для расширения вертикального волновода и для расширения полоскового волновода – 2D-CLOC (Two Dimensional CLOC). Оригинальная идея нового типа лазерной решетки исходит из того, что одиночный пространственно-одномодовый линейный лазер является когерентным сам себе по всей длине резонатора. Можно ожидать, что излучение в точках «поворота» пространственно-одномодового лазерного резонатора с зигзагообразной геометрией будет синфазным. Такая квазирешётка будет иметь достоинства синфазных лазерных решёток в виде узкого мощного пучка, но будет свободна от проблемы коллективных мод. По совокупности параметров (мощность излучения, качество пучка, технологичность) предложенные пространственно-одномодовые лазеры и лазерные квазирешётки внесут вклад в расширение использования полупроводниковых когерентных излучателей в новых энергоэффективных поколениях лазерных систем накачки и промышленной обработки материалов. Ожидаемые результаты В результате выполнения проекта будут исследованы принципы эффективной селекции оптических мод в волноводах торцевых полупроводниковых лазеров, на основании которых будет создана новая конструкция пространственно-одномодовых лазеров, сочетающих в себе преимущества широких волноводов: - одномодовый широкий волновод в направлении, перпендикулярном эпитаксиальным слоям, обеспечит уменьшение вертикальной расходимости лазерного пучка, уменьшение плотности оптической мощности на лазерном зеркале, высокое качество пучка; - одномодовый широкий волновод в направлении, параллельном эпитаксиальным слоям, обеспечит увеличение оптической мощности, уменьшение горизонтальной расходимости лазерного пучка, высокое качество пучка и улучшение теплового режима работы. Разработанная конструкция будет практически реализована в проекте для лазеров в системе материалов AlGaAs/GaAs с активной областью на InGaAs квантовых ямах с длиной волны излучения вблизи 1 мкм. Будут исследованы теоретически и экспериментально возможности получения синфазного излучения лазерных квазирешёток, основанных на пространственно-одномодовых лазерах. Будут исследованы пространственные, спектральные и мощностные характеристики излучения экспериментальных образцов на основе AlGaAs/GaAs с активной областью на квантовых ямах с длиной волны излучения вблизи 1 мкм, которые позволят сделать выводы о применимости предлагаемого нового подхода для получения узкого мощного лазерного пучка высокого качества. Разработанные конструкции пространственно-одномодовых лазеров и лазерных квазирешёток будут иметь платформенный характер, что сделает их применимыми к полупроводниковым материалам любого спектрального диапазона. Предложенные решения будут сочетаться с используемыми в промышленности ростовыми и постростовыми стандартными технологиями изготовления лазеров для сохранения себестоимости производства. Ожидается, что исследованные в проекте оригинальные конструкции будут находиться на мировом уровне по технологичности, эффективности, универсальности и экономичности, что сделает их перспективными для широкого практического использования производителями полупроводниковых накачных лазеров как в России, так и за рубежом. Результаты работ по проекту планируется опубликовать в статьях в профильных рецензируемых международных научных журналах (Optics Letters, Semiconductor Science and Technology, IEEE Photonics Technology Letters, Journal of Applied Physics, Физика и техника полупроводников).