Инженеры из Иллинойсского университета разработали первый работающий при комнатной температуре и безопасный для глаз PCSEL-ламповый лазер с фотонакачкой, внедрив диоксид кремния в слой фотонных кристаллов и решив проблему, связанную со специальными воздушными отверстиями.
Лазерные лучи, проходящие через стекло.
Крис Роджерс/Getty Images
Фотонно-кристаллический поверхностно-излучающий лазер (PCSEL) — перспективная технология, способная полностью изменить возможности лазеров. Такая система способна генерировать узконаправленные, яркие лучи с высокой точностью, что делает её идеальной для таких приложений, как лидары, оптическая связь и сенсорные системы, используемые в беспилотных автомобилях и оборонных устройствах.
Однако, несмотря на свой потенциал, PCSEL-лазеры, как известно, сложно разрабатывать. Проблема кроется в их конструкции, которая основана на специальных воздушных отверстиях, исчезающих вскоре после формирования.
Инженеры Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (UIUC) преодолели это давнее препятствие. Вместо воздушных отверстий они предложили встраивать диоксид кремния в слой фотонного кристалла. По словам учёных, это изменение позволило им успешно продемонстрировать первый безопасный для глаз фотонакачиваемый PCSEL-ламповый фотодиод, работающий при комнатной температуре и использующий скрытые диэлектрические структуры.
Замена хрупких воздушных отверстий на надежные инновации
Традиционно PCSEL-лазеры изготавливаются с воздушными отверстиями в слое фотонного кристалла, что помогает контролировать движение света внутри устройства. Однако, когда учёные пытаются вырастить полупроводниковый материал вокруг этих отверстий, что является необходимым этапом для завершения работы лазера, атомы смещаются и заполняют эти отверстия. Это изменение формы нарушает структуру фотонного кристалла, что препятствует корректной работе лазера.
Чтобы решить эту проблему, авторы исследования заполнили слой фотонного кристалла диоксидом кремния — твёрдым и стабильным диэлектриком. Это изменение придало структуре прочность и предотвратило её разрушение при повторном росте.
Однако это решение породило новую проблему. Диоксид кремния аморфен, то есть не имеет кристаллической структуры, и выращивание полупроводников на его основе обычно крайне затруднительно.
«Когда мы впервые попытались заново вырастить диэлектрик, мы не знали, возможно ли это вообще. В идеале при выращивании полупроводников необходимо сохранить очень чистую кристаллическую структуру на всём протяжении от базового слоя, чего сложно добиться с аморфным материалом, таким как диоксид кремния», — сказала Эрин Рафтери, ведущий исследователь и студент инженерного факультета Университета Уинслоу (UIUC).
Для работы лазера слои полупроводника, расположенные выше, должны сохранять гладкую, непрерывную кристаллическую структуру. Команда не знала, возможно ли это, но, тщательно контролируя условия, инженерам удалось вырастить полупроводник латерально вокруг диэлектрика, а затем соединить материал поверх него в процессе, известном как коалесценция.
Результатом стал скрытый диэлектрический PCSEL, способный излучать лазерный луч при возбуждении светом даже при комнатной температуре и на длине волны, безопасной для человеческого глаза, чего ранее не удавалось никому.
Следующий шаг — сделать его электрическим.
Это экспериментальное исследование закладывает основу для нового поколения поверхностно-излучающих лазеров, которые более точны, стабильны и масштабируемы, чем существующие технологии. PCSEL будут генерировать узкие, кольцевые лучи высокой яркости, что делает их идеальными для самых разных применений: от коммуникационных приложений до высокотехнологичного оружия.
Использование твёрдого диэлектрика также упрощает процесс изготовления и повышает долговечность устройства. Однако в первой версии для питания лазера всё ещё требуется внешний свет (фотонакачка), что ограничивает его применение в реальных условиях.
Чтобы сделать его по-настоящему пригодным к использованию, команда планирует разработать версию с электрически инжектируемым питанием, добавив электрические контакты, что позволит лазеру работать от стандартных источников питания.
Исследование опубликовано в журнале IEEE Photonics Journal.
Sourse: interestingengineering.com
