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Die optische Leistung grüner Laser wird erheblich verbessert

2022-03-30
Der Laser gilt als eine der größten Erfindungen der Menschheit im 20. Jahrhundert und sein Erscheinen hat den Fortschritt in der Erkennung, Kommunikation, Verarbeitung, Anzeige und anderen Bereichen stark vorangetrieben. Halbleiterlaser sind eine Klasse von Lasern, die früher ausgereift sind und schneller Fortschritte machen. Sie zeichnen sich durch geringe Größe, hohe Effizienz, niedrige Kosten und lange Lebensdauer aus und sind daher weit verbreitet. In den Anfangsjahren legten Infrarotlaser auf Basis von GaAsInP-Systemen den Grundstein für die Informationsrevolution. . Der Galliumnitrid-Laser (LD) ist ein neuartiger optoelektronischer Gerätetyp, der in den letzten Jahren entwickelt wurde. Der auf dem GaN-Materialsystem basierende Laser kann die Arbeitswellenlänge vom ursprünglichen Infrarot auf das gesamte sichtbare Spektrum und das ultraviolette Spektrum erweitern. Verarbeitung, Landesverteidigung, Quantenkommunikation und andere Bereiche haben große Anwendungsaussichten gezeigt.
Das Prinzip der Lasererzeugung besteht darin, dass das Licht im optischen Verstärkungsmaterial durch Oszillation im optischen Hohlraum verstärkt wird, um Licht mit äußerst konsistenter Phase, Frequenz und Ausbreitungsrichtung zu erzeugen. Bei kantenemittierenden Halbleiterlasern vom Stegtyp kann der optische Hohlraum Licht in allen drei Raumdimensionen begrenzen. Die Begrenzung entlang der Laserausgangsrichtung wird hauptsächlich durch Spaltung und Beschichtung des Resonanzhohlraums erreicht. In horizontaler Richtung: Die optische Begrenzung in vertikaler Richtung wird hauptsächlich durch die Verwendung der äquivalenten Brechungsindexdifferenz erreicht, die durch die Rippenform gebildet wird, während die optische Begrenzung in vertikaler Richtung durch die Brechungsindexdifferenz zwischen verschiedenen Materialien realisiert wird. Beispielsweise ist der Verstärkungsbereich des 808-nm-Infrarotlasers ein GaAs-Quantentopf und die optische Begrenzungsschicht besteht aus AlGaAs mit einem niedrigen Brechungsindex. Da die Gitterkonstanten von GaAs- und AlGaAs-Materialien nahezu gleich sind, erreicht diese Struktur nicht gleichzeitig eine optische Eingrenzung. Aufgrund von Gitterfehlanpassungen können Probleme mit der Materialqualität auftreten.
In GaN-basierten Lasern wird üblicherweise AlGaN mit niedrigem Brechungsindex als optische Begrenzungsschicht und (In)GaN mit hohem Brechungsindex als Wellenleiterschicht verwendet. Mit zunehmender Emissionswellenlänge nimmt jedoch der Brechungsindexunterschied zwischen der optischen Einschlussschicht und der Wellenleiterschicht kontinuierlich ab, so dass die Einschlusswirkung der optischen Einschlussschicht auf das Lichtfeld kontinuierlich abnimmt. Insbesondere bei grünen Lasern konnten solche Strukturen das Lichtfeld nicht begrenzen, sodass das Licht in die darunter liegende Substratschicht eindringt. Aufgrund der zusätzlichen Wellenleiterstruktur der Luft/Substrat/optischen Begrenzungsschicht kann das in das Substrat eindringende Licht in einen stabilen Modus (Substratmodus) umgewandelt werden. Das Vorhandensein des Substratmodus führt dazu, dass die optische Feldverteilung in vertikaler Richtung nicht mehr eine Gaußsche Verteilung, sondern eine „Kelchkeule“ ist, und die Verschlechterung der Strahlqualität wird sich zweifellos auf die Verwendung des Geräts auswirken.

Basierend auf den Ergebnissen früherer optischer Simulationsforschung (DOI: 10.1364/OE.389880) hat die Forschungsgruppe von Liu Jianping vom Suzhou Institute of Nanotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kürzlich vorgeschlagen, quartäres AlInGaN-Material zu verwenden, dessen Gitterkonstante und Brechungsindex dies können gleichzeitig mit der optischen Begrenzungsschicht angepasst werden. Die entsprechenden Ergebnisse zur Entstehung des Substratschimmels wurden in der Fachzeitschrift Fundamental Research veröffentlicht, die von der National Natural Science Foundation of China geleitet und gesponsert wird. Im Rahmen der Forschung optimierten die Experimentatoren zunächst die Parameter des epitaktischen Wachstumsprozesses, um hochwertige AlInGaN-Dünnschichten mit Stufenflussmorphologie heteroepitaktisch auf der GaN/Saphir-Vorlage wachsen zu lassen. Anschließend zeigt der homoepitaktische Zeitraffer der dicken AlInGaN-Schicht auf dem selbsttragenden GaN-Substrat, dass die Oberfläche eine ungeordnete Gratmorphologie aufweist, was zu einer Zunahme der Oberflächenrauheit führt und somit das epitaktische Wachstum anderer Laserstrukturen beeinträchtigt. Durch die Analyse der Beziehung zwischen Spannung und Morphologie des epitaktischen Wachstums schlugen die Forscher vor, dass die in der dicken AlInGaN-Schicht akkumulierte Druckspannung der Hauptgrund für eine solche Morphologie ist, und bestätigten die Vermutung durch das Wachstum dicker AlInGaN-Schichten in verschiedenen Spannungszuständen. Schließlich konnte durch Aufbringen der optimierten AlInGaN-Dickschicht in der optischen Begrenzungsschicht des grünen Lasers das Auftreten des Substratmodus erfolgreich unterdrückt werden (Abb. 1).


Abbildung 1. Grüner Laser ohne Leckagemodus, (α) Fernfeldverteilung des Lichtfeldes in vertikaler Richtung, (b) Spotdiagramm.

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