激光器的革命性：可调谐半导体环形激光器

来自维也纳理工大学 （TU Wien） 和哈佛大学约翰 A. 保尔森工程与应用科学学院 （SEAS） 的科学家团队刚刚推出了一种制造可调谐半导体环形激光器的新方法。这些先进的激光器有可能提供高功率通信、更先进的安全系统等等。以下是您需要了解的内容。

可调谐激光器的类型及其优势

在 Theodore H. Maiman 演示第一台使用合成红宝石棒的激光器后仅 6 年，研究人员才开始研究可调谐激光器。与前代固定波长产品不同，它们可以设置为发射各种波长的光，使其成为光通信和显微镜等精密应用的理想选择。因此，可调谐激光器已成为当今高科技和医疗领域的重要组成部分。

可调谐激光器类别：气体、光纤、OPO 和半导体

如今，有许多不同类型的可调谐激光器，包括气体激光器、光纤激光器、光学参量振荡器 （OPO） 和半导体激光器。可调谐半导体激光器被许多人视为最先进的选择。它们外形紧凑，支持宽波长，并提供足够的功率。

可调谐激光器的缺点

可调谐激光器技术在功能上取得了巨大飞跃。然而，仍然存在许多限制阻碍该技术发挥其最大潜力。例如，具有宽波长范围的可调谐激光器通常提供较低的精度。此外，这些设备的制造成本及其整体脆弱性已被视为其进步的障碍。

如何调谐半导体激光器

创建和调整半导体激光器有两种主要方法。第一种方法需要在激光脊上添加精确的光栅。该光栅在纳米尺度上以精确角度切割，以产生频率选择性光学反馈。这种设置允许工程师放大特定波长，并通过改变激光器的电流来减少来自他人的干扰。

第二种调谐半导体激光器的方法利用外部腔体。在这种布置中，旋转衍射光栅将精确的波长反射到腔体中。将波长激发到激光中的腔体可以通过旋转来调整。

当今半导体激光器的问题

半导体激光领域有一些缺点，工程师们多年来一直在试图克服这些缺点。首先，精度和射程能力之间保持平衡。到目前为止，您可以拥有一个非常精确的设备，或者一个可以很好地覆盖各种波长的设备。

半导体激光器的另一个问题是，随着温度升高，它们的性能会显着下降。当半导体激光器变热时，它会失去功率、效率，甚至可能损坏。因此，不可能在广泛的频谱上实现长期、连续的无跳跃调谐。

半导体环形激光器研究

认识到这些局限性，哈佛大学的工程师和来自其他知名机构的科学家着手创造第一台广谱、高精度的半导体激光器。他们在科学杂志 Optica 上发表的研究“连续且广泛可调的半导体环形激光器”中记录了他们的旅程。

该论文揭示了他们在一种新型可调谐半导体激光器方面的工作，该激光器利用环形阵列量子级联激光器（QCL）架构提供平滑的可调性，同时支持扩展的光谱范围。值得注意的是，量子级联激光器是产生远红外光谱光束的半导体激光器。

环形 QCL 设计：独立、可寻址阵列

该团队通过创建多个小型、独立可寻址的环形 QCL 开始了他们的工作。值得注意的是，环形激光器具有两束相同偏振的光束。这些光束围绕镜子创建的闭合环以相反的方向对准。这种方法可以准确测量最微小的运动。因此，环形激光器通常用作导航系统中的陀螺仪。

在这种情况下，科学家使用量子级联激光活性材料和干法蚀刻工艺创造了环形激光器。此外，每个环都添加了电触点和总线波导。工程师们指出，这种方法提供了增强的性能，减少了总线波导的光损耗。

每个环都被开发成具有不同的半径。使用不同尺寸的环为每个空间创造了不同的激光频率。这种方法使工程师能够单独调整每个环，而不会出现任何激光下降。

使用环形耦合器实现单模发射

这种独特的方法使工程师能够同时利用多个环来产生特定的功率和波长。该系统允许工程师通过沿激光器直线部分的倏逝定向耦合器将来自每个环的光束组合成一个波导。敏锐的是，定向耦合器通过确保光仅沿一个方向传播来防止增益光栅。

通过基于刻面的设计进行波导发射

该团队指出，他们的激光器采用了一种独特的发光方法。该系统依赖于通过总线波导的面发射方法。波导可用于在室温下根据需要调整和放大激光频率。

模块化环形激光器设计可实现可扩展性

这种激光器装置的模块化设计意味着工程师可以对其进行扩展以满足任何需求。此外，环形激光器可以同时运行或以单环模式运行。因此，组合激光器会产生更强、更强的光束，使其成为某些高科技应用的理想选择。

半导体环形激光器测试

工程师们出发在维也纳工业大学的微纳米结构中心洁净室设施中测试他们的理论。在这里，他们创造了一个带有 5 个环的激光装置，每个环都有不同的半径。具体来说，环尺寸从 220 到 260 μm 不等。

创建后，该团队随后测试了不同的激光设置和波长。在一个例子中，他们结合了三个不同环的调谐范围，以测试宽带宽上的无跳模调谐。

半导体环形激光器测试结果

测试结果证实了工程师的模型。该团队指出，单环 QCL 在室温下连续波运行时可以发射高达 0.5 mW 的光束。测试还表明，尽管激光面进行了强烈的光学注入，但激光芯片仍保持稳定的波长输出。这些测试表明，新的激光器设计在高水平的光反馈下具有弹性。

此外，工程师们还指出，其性能与多截面 DFB 激光器相当。这一发现是一个巨大的里程碑，因为这意味着这些激光器无需沿着每个激光器的有源区域制造独特的光栅即可制造。

具体来说，该团队能够利用三个激光环平滑扫描 266 GHz 至 395 GHz 的光带宽。扫掠动作很平滑，每个环之间的光谱重叠极小。值得注意的是，该设备在大量光注入下产生了非常稳定的光束。

半导体环形激光器的优势

这项研究将为激光市场带来许多好处。其一，这种设计没有移动部件，制造起来更容易且价格实惠。通过降低制造高端激光器的成本，它为更多用例场景和进一步采用打开了大门。

小尺寸

该设备外形小巧，利用环形激光器，可以放大或缩小以满足特定需求。这种策略允许对波长进行微调和稳定发射。更小的激光器将有助于推动未来的技术和可穿戴设备的发展。

值得注意的是，传统的可调谐激光器一次发射一个波长。相比之下，环形阵列激光器的模块化使多个环形激光器能够同时运行，并使用不同的环形半径瞄准单个波长。

减少反馈并提高光束稳定性

使用多个环形激光器和单向耦合器有助于减少背向反射，这种反射一直困扰着以前的激光器设计。因此，这种结构可以支持强大的激光器，这些激光器可以处理更多的能量，从而产生比其前身更强的光束。

半导体环形激光器的实际应用

这项技术有多种实际应用。其一，激光器是当今许多高科技领域的重要竞争者。创造更强大、更有用的设备将有助于降低当今技术的成本，同时推动创新产品的推出。以下是这项技术的其他一些用例。

通信

电信行业一直在寻找更强大的激光器。这一最新发展可能有助于创建能够以前所未有的水平进行高速数据传输的超级网络。有一天，这些设备可用于在宇宙中传输数据，让太空旅行者在数百万英里外与地球保持联系。

医疗

医疗领域使用激光的原因有很多。从扫描疾病到矫正视力，这些激光将以多种方式帮助改善未来数百万人的健康。更小的尺寸以及更高的灵活性和准确性将有助于为新一代自动化医疗服务和程序提供动力。

安全

高功率激光扫描仪是包括天然气和化工行业在内的多个行业的重要组成部分。这些设备会扫描最轻微的问题，以防止灾难性故障。这项技术可以帮助检测天然气管道泄漏、基础设施衰减以及其他确保人口安全的关键任务。

半导体环形激光器时间表

半导体环形激光器可能会在未来 5-7 年内投放市场。对这项技术的需求是直接的，制造商将渴望利用它来制造更小、更先进的产品。军事整合的时间表将更短，这可能会加快发展，以满足未来战场不断增长的需求。

半导体环形激光器研究人员

半导体环形激光器研究是哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院 （SEAS） 和维也纳理工大学 （TU Wien） 的联合努力。该研究由费德里科·卡帕索和文顿·海耶斯共同领导。此外。该研究将 Johannes Fuchsberger、Theodore P. Letsou、Dmitry Kazakov、Rolf Szedlak 和 Benedikt Schwarz 列为关键贡献者。值得注意的是，国防部和美国国家科学基金会通过赠款为这项研究提供了资金。

半导体环形激光器的下一步是什么？

研究人员正在为他们的工作申请专利。从那里，他们将寻找制造商开始进一步降低生产成本。此外，该团队将研究使用更多环缩放设备的效果。

投资激光行业

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半导体环形激光器 |结论

在讨论可调谐半导体激光器研究时，有很多值得兴奋的事情。这些设备可以重塑多个行业，并帮助或降低未来电子产品的成本和尺寸。事实上，他们的设备比当今的选项更容易创建，并且以紧凑的芯片大小格式提供广泛而精确的波长调谐，这使其成为整个行业的胜利。