Modelowanie półprzewodnikowych laserów azotkowych z pionową wnęką rezonansową o emisji powierzchniowej

NCN OPUS 2014/13/B/ST7/00633

Głównym celem niniejszego projektu było zbadanie i wyjaśnienie zjawisk fizycznych utrudniających działanie i limitujących osiągi półprzewodnikowych laserów typu VCSEL (ang. Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) i laserów typu VECSEL (ang. Vertical-External-Cavity Surface-Emitting-Laser) wytwarzanych w technologii azotkowej. Lasery wykonane z tych materiałów umożliwiają emisję fali w zakresie spektralnym odpowiadającym światłu od fioletowego do zielonego. Podstawowymi zaletami laserów o emisji powierzchniowej z pionową wnęką rezonansową są dużo lepsze parametry emitowanej wiązki w porównaniu do klasycznych laserów o emisji krawędziowej oraz naturalna możliwość budowy na ich bazie dwuwymiarowych matryc laserowych. Lasery te mogą znaleźć szerokie zastosowanie m.in. w systemach holograficznego zapisu danych, wyświetlaczach przeziernych czy telekomunikacji opartej na światłowodach plastikowych oraz telekomunikacji w wolnej przestrzeni (tzw. komunikacja Li-Fi), medycynie, ochronie zdrowia, badaniach naukowych. Proponowane badania miały także na celu wskazanie rozwiązań zarówno konstrukcyjnych, jak i materiałowych, które mogłyby wpłynąć zarówno na poprawę charakterystyk eksploatacyjnych istniejących już konstrukcji, jak i umożliwić rozszerzenie zakresu pracy tych przyrządów na obszar fal obecnie dla nich niedostępny. Proponowane badania zostały przeprowadzone na drodze teoretycznej w oparciu o kompletną komputerową symulację działania azotkowych półprzewodnikowych laserów typu V(E)CSEL. Do tego celu wykorzystano trójwymiarowy samouzgodniony model numeryczny składający się z sześciu podstawowych powiązanych ze sobą modułów odpowiedzialnych za modelowanie struktury energetycznej obszaru czynnego oraz odpowiednio: zjawisk elektrycznych, termicznych, optycznych, dyfuzji i wzmocnienia. Model ten opracowano samodzielnie w Instytucie Fizyki Politechniki Łódzkiej. Oprócz wskazania różnych rozwiązań konstrukcyjno-materiałowych poprawiających działanie analizowanych laserów jako najważniejsze osiągnięcia grantu należy wymienić: (i) opracowanie projektu konstrukcji azotkowego lasera typu VECSEL przeznaczonego do emisji promieniowania o długości fali ok. 450 nm, który – w odróżnieniu od zademonstrowanych do tej pory przyrządów tego typu – mógłby teoretycznie pracować w trybie ciągłym oraz (ii) opracowanie nowatorskiej konstrukcji azotkowego lasera VCSEL w której w miejsce standardowego górnego dielektrycznego zwierciadła DBR (ang. Distributed Bragg Reflector) wstawiono metalizowaną siatkę MHCG (ang. Monolithic High-index Contrast Grating). Rozwiązanie to w dużej mierze niweluje najpoważniejsze niedomagania obecnych konstrukcji azotkowych laserów VCSEL i prawdopodobnie umożliwi w niedalekiej przyszłości otrzymanie zupełnie nowej klasy azotkowych laserów VCSEL cechujących się niespotykanymi obecnie parametrami eksploatacyjnymi.