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原創(chuàng)的拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器出世！ 有望解決拓?fù)湮锢響?yīng)用的瓶頸
2022年04月12日 10:21:18
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：羊舌木 點擊量：4156
近日，研究團(tuán)隊將原創(chuàng)的拓?fù)涔馇粦?yīng)用于面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中，研制出了拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器（TCSEL），得到了遠(yuǎn)超同類商用產(chǎn)品的指標(biāo)和性能。
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】半導(dǎo)體激光器是一種以半導(dǎo)體材料(主要是化合物半導(dǎo)體)作為工作物質(zhì)，以電流注入作為激勵方式的一種激光器。自1962年世界上第一臺半導(dǎo)體激光器發(fā)明問世以來，半導(dǎo)體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動了其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，被認(rèn)為是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。近十幾年來，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展更為迅速，已經(jīng)成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術(shù)。
半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)。半導(dǎo)體激光器體積最小、效率最高、波長最廣，價格最低，是各類應(yīng)用場景之首選，目前它在光電子領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，已受到世界各國的高度重視。
但是，半導(dǎo)體激光器出射功率低和光束質(zhì)量差是瓶頸，難點更在于這兩個指標(biāo)一般無法同時提高，即雖然增大器件尺寸可以提高激光功率，但是大器件中的多模激射會降低光束質(zhì)量。在此之前，中國科學(xué)院物理研究所陸凌團(tuán)隊提出了“狄拉克渦旋”拓?fù)涔馇皇悄壳耙阎竺娣e單模性最好的光腔設(shè)計，可從原理上突破現(xiàn)有瓶頸，并提高出射功率和光束質(zhì)量。
近日，研究團(tuán)隊將原創(chuàng)的拓?fù)涔馇粦?yīng)用于面發(fā)射半導(dǎo)體激光器中，研制出了拓?fù)淝幻姘l(fā)射激光器(TCSEL)，，得到了遠(yuǎn)超同類商用產(chǎn)品的指標(biāo)和性能。該TCSEL在1550nm這一最重要的通信和人眼安全波段，同時實現(xiàn)了單個器件10W峰值功率、小于1°的遠(yuǎn)場發(fā)散角、60dB邊模抑制比，以及二維多波長陣列的集成能力。
研究分析主流單模半導(dǎo)體激光器的設(shè)計發(fā)現(xiàn)，用于互聯(lián)網(wǎng)通信的分布式反饋邊發(fā)射激光器和用于手機(jī)人臉識別的垂直腔面發(fā)射激光器，在其最優(yōu)化的諧振腔設(shè)計中均采用了一維周期結(jié)構(gòu)中帶間拓?fù)淙毕菽Ｊ絹韺崿F(xiàn)穩(wěn)定單模工作。而TCSEL正是延續(xù)和推廣了這樣的成功路線，實現(xiàn)了與半導(dǎo)體芯片平面工藝最匹配的二維版本。
大面積單模是TCSEL的優(yōu)勢，同時提高了出射功率和光束質(zhì)量——面發(fā)射峰值功率大于10W，光束發(fā)散角小于1°。TCSEL的高功率和低發(fā)散角優(yōu)勢可以增加三維傳感的距離，減少光學(xué)系統(tǒng)的尺寸、復(fù)雜性和成本。波長靈活性是TCSEL的另一個優(yōu)勢，如可以實現(xiàn)二維多波長面陣。TCSEL的波長可以在平面加工過程中任意調(diào)節(jié)，這種多波長TCSEL二維陣列可以潛在地提高波分復(fù)用技術(shù)的功率、帶寬和集成度，可應(yīng)用于高容量信號傳輸和多光譜激光傳感等應(yīng)用領(lǐng)域。
拓?fù)湮锢碜粤孔踊魻栃?yīng)發(fā)現(xiàn)以來，一直是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的焦點。雖然拓?fù)漪敯粜栽诶碚撋峡梢燥@著提高器件的穩(wěn)定性和指標(biāo)，但至今沒有明確的應(yīng)用出口，TCSEL的發(fā)明有望解決拓?fù)湮锢響?yīng)用的瓶頸。同時，TCSEL的發(fā)明對于人臉識別、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實所需的三維感知和激光雷達(dá)等新興技術(shù)有重要意義。
相關(guān)研究成果以Topological-cavity surface-emitting laser為題，在線發(fā)表在Nature Photonics上。
(資料參考來源：《自然—光子學(xué)》)
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