Tema

Ny typ av halvledarlaser utvecklas på Chalmers

Forskare på Chalmers har tagit fram ett sätt att förbättra halvledarlasrar för hög uteffekt genom att tillföra energi optiskt. De nya lasrarna kan även producera korta optiska pulser. Metoden är viktig för tillämpningar inom exempelvis kommunikation, mätteknik, displayer och laserbearbetning.

Många tillämpningar där laserljus används kräver hög optisk effekt och god strålkvalitet. Halvledarlasrar är attraktiva eftersom de är kompakta, energisnåla och kan tillverkas till låg kostnad. Men det har visat sig vara svårt att kombinera hög effekt och bra strålkvalitet med konventionell halvledarlaserteknik, där energi tillförs genom ströminjektion. Forskare vid Chalmers fotoniklabb har därför utvecklat en ny typ av halvledarlaser där energi tillförs optiskt.

Den så kallade optiskt pumpade disklasern består av ett halvledarchip med en integrerad spegel som tillsammans med en extern spegel bildar laserresonatorn. Med hjälp av en annan laser tillförs halvledarchipet den energi som behövs för att åstadkomma optisk förstärkning.

Hett forskningsområde
Anders Larsson är professor och forskningsledare vid Fotoniklabbet.

– De här resultaten har redan väckt uppseende internationellt. Det är ett hett forskningsområde med intressanta tillämpningar och Chalmers ligger väldigt långt framme. Nu presenterar Hans Lindberg resultaten i sin doktorsavhandling och vi fortsätter forskningen, bland annat inom EU-projektet NATAL, säger han.

Inom den aktuella forskningen kring halvledarbaserade optiskt pumpade disklasrar används i de flesta fall material baserat på GaAs (Gallium-Arsenik) för våglängdsområdet 400-1100 nm. Här finns viktiga tillämpningar för till exempel laserprojektionsdisplayer och laserbearbetning. En uteffekt på hela 30 W har demonstrerats vid en våglängd på 980 nm av det amerikanska företaget Coherent.

Längre våglängder
Att arbeta med längre våglängder kan vara önskvärt för vissa krav och tillämpningar. Exempel är pumpning av optiska fiberförstärkare för telekommunikation, optisk sampling och mätändamål där ögonsäkerhet är viktigt.

– Att de längre våglängderna är mindre skadliga för ögat kan vara betydelsefullt, just vid mätning eller när man använder ljus för kommunikation utan att det är bundet i en fiber, säger Hans Lindberg.

Enligt Anders Larsson och Hans Lindberg är Chalmers forskning inom längre våglängder för halvledarbaserade optiskt pumpade disklasrar tämligen unik.

För att nå dessa måste material av InP användas, vilket också görs i Chalmerslasern. Materialet är tillverkat vid KTH och emitterar ljus med en våglängd på 1.55 µm. Pumplaserns våglängd är 1.25 µm.

Värmespridare av diamant
För att nå hög uteffekt måste den värme som utvecklas i halvledarchipet ledas bort på ett effektivt sätt. Detta är speciellt svårt när man använder InP-baserade material. Vid Chalmers har därför en värmespridare, i form av en tunn skiva av diamant, bondats till halvledarytan genom så kallad ”wafer bonding”. Den tunna diamantskivan har samtidigt använts som ett optiskt filter för att få lasern att oscillera på en enda frekvens och för att stabilisera laserns våglängd. Uteffekten är 0.5 W och strålkvaliteten är mycket hög.

Pulser med passiv modlåsning
Genom att använda en vikt kavitet, med en mättbar optisk absorbator tillverkad i halvedarmaterialet GaInNAs (Gallium – Indium – Kväve – Arsenik) integrerad i ena spegeln, har Chalmersforskarna också fått lasern att producera korta optiska pulser genom så kallad passiv modlåsning. Pulsernas längd är 3 ps, repetitionsfrekvensen är 3 GHz och toppeffekten är hela 13W.

Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet och Stiftelsen för Strategisk Forskning. Resultaten presenterades i en avhandling av Hans Lindberg vid Avdelningen för fotonik på Chalmers. Disputationen hålls den 3 mars i sal Kollektorn, Kemivägen 9, MC2, Chalmers.

Avhandlingen heter ”High Power Long Wavelength Semiconductor Disk Lasers for Continuous and Mode-Locked Operation”.

Kontaktinformation
Mer information:
Hans Lindberg, Avdelningen för fotonik, Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers
Tel: 031 – 772 16 07
E-post: hans.lindberg@mc2.chalmers.se

Bilder på disklasern finns att få via Hans Lindberg eller Sofie Hebrand, Chalmers informationsavdelning, tel 031-772 84 64,
sofie.hebrand@chalmers.se

Handledare: Anders Larsson, professor, Avdelningen för fotonik vid Institutionen för Mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers
Tel: 031-7721593, 0703-088626
E-post: anders.larsson@mc2.chalmers.se

Ny typ av halvledarlaser utvecklas på Chalmers

 lästid ~ 3 min