در انحراف از رویکردهای استاندارد قفل کردن مدل، تیمی از محققان به رهبری پروفسورهای جاکومو اسکالاری و جروم فایست در گروه فیزیک در ETH زوریخ و پروفسور کریستین جیراوشک در دانشگاه فنی مونیخ، یک لیزر نیمه هادی قفل شده یکپارچه با نرخ تکرار پیوسته و گسترده از 1Hz تا G4 قابل تنظیم ایجاد کردند. و به طرز جالبی، رویکرد آنها باید برای سایر لیزرهای نیمه هادی و طول موج های انتشار لیزر کار کند.
برای رسیدن به این هدف، محققان از یک لیزر آبشاری کوانتومی تراهرتز (THz) برای تولید شانههای فرکانس منسجم استفاده کردند. در حالی که به خوبی شناخته شده است که از THz QCL می توان برای تولید شانه استفاده کرد، توسعه اخیر تیم از QCL های مسطح THz با خواص مایکروویو بهبودیافته آنها را تشویق کرد تا مدولاسیون قوی حفره لیزر را با استفاده از مایکروویوهای خارجی کاوش کنند-و آنها چندین رژیم جدید از عملکرد لیزر نیمه هادی را کشف کردند.
Urban Senica، که در آن زمان دکترا بود، توضیح میدهد: "دستگاه ما بر پایه QCL THz مسطح است. ماده منطقه فعال آن از یک ابرشبکه آرسنید گالیم (GaAs)/آرسنید گالیم آلومینیوم (AlGaAs) تشکیل شده است، ویفر-به یک بستر حامل GaAs متصل شده است." دانشجوی ETH زوریخ است، اما اکنون دانشجوی فوق دکتری در آزمایشگاه اپتیک در مقیاس نانو دانشگاه هاروارد است. "با استفاده از فتولیتوگرافی و اچ کردن خشک، یک موجبر برجستگی فعال تعریف میشود و متعاقباً با پلیمر بنزوسیکلوبوتن کم اتلاف-(BCB) مسطح میشود. یک موجبر به صورت عمودی بین دو لایه متالیزاسیون گسترده قرار میگیرد که حالتهای نوری و مایکروویو را برای دستگاه لیزری بایاس محدود میکند."
این پیکربندی منجر به تلفات انتشار کم، کاهش پراکندگی رنگی، افزایش اتلاف گرما، و بهبود خواص مایکروویو میشود، زیرا لیزر در یک موجبر امواج مایکروویو با تلفات کم و کم{1}} تعبیه شده است.
حالت قفل فعال
روش این تیم مبتنی بر قفل کردن حالت فعال است که شامل تعدیل ولتاژ بایاس لیزر از طریق یک سیگنال الکتریکی خارجی برای تولید یک قطار از پالسهای نوری کوتاه منسجم (یک شانه فرکانس) است. در تظاهرات قبلی، این تنها در صورتی کار میکرد که فرکانس سیگنال مدولاسیون با زمان لازم برای حرکت نور بین دو آینه لیزر هماهنگ شود (این توسط ابعاد حفره فیزیکی ثابت میشود).
Senica میگوید: «ما یک رژیم کاملاً جدید را نشان دادیم که در آن میتوانیم به طور مداوم و گسترده فرکانس نرخ تکرار قطار پالس را تا 400 درصد تنظیم کنیم. این قابلیت تنظیم خارقالعاده با تشکیل یک نوسان مایکروویو ایستاده در امتداد کل حفره لیزر به دست میآید که منجر به یک اثر کشش پالس میشود که باعث افزایش یا کاهش سرعت پالس نوری میشود تا همیشه با فرکانس مدولاسیون خارجی همگام شود.
کنترل سرعت پالسهای نوری روی تراشه از طریق امواج مایکروویو
یکی از جالبترین جنبههای این کار این است که «ما اساساً میتوانیم سرعت پالسهای نوری را روی یک تراشه فوتونی با امواج مایکروویو کنترل کنیم». "در یک تشبیه ساده، شبیه موج آبی است که موجسوار را به جلو میبرد. به عبارت فنیتر، یک تغییر فاز وابسته به فرکانس- بین مایکروویو و پالس نوری وجود دارد، و گرادیان افزایش/افت منجر به سرعت گروهی تغییر یافتهای از پالس نوری میشود، به طوری که فرکانس تکراری جدید با این نرخ فرکانس ریزشکن خارجی مطابق با لحظهای است که ما قادر به درک آن بودیم. فرآیند، با تطابق خوب بین نتایج تجربی و شبیه سازی."
کل این پروژه نقطه اوج چندین سال پیشرفت های فنی و علمی عمده است، از جمله طراحی و رشد اپیتاکسی پرتو مولکولی ناحیه فعال لیزر باند پهن. شبیه سازی، ساخت، و خصوصیات QCL های سطحی THz. و شبیه سازی های تحلیلی و عددی گسترده حفره لیزر مدوله شده.
بخش مهمی از کار این تیم شامل شبیه سازی پیشرفته دستگاه های آنها بود. Senica می گوید: «به ویژه، همکاران ما در TU Munich در آلمان یک رویکرد شبیه سازی جدید برای مدل سازی کل حفره لیزر مدوله شده ایجاد کردند. "این شامل مدلسازی سیستم کوانتومی لیزر، انتشار مایکروویو، و تولید پالس نوری-ترکیب سه حوزه مختلف در یک مطالعه شبیهسازی، بازتولید دقیق نتایج تجربی و ارائه بینشهای حیاتی در مورد دینامیک لیزر است."
ارتباطات، طیفسنجی و کاربردهای حسی پیش رو
به لطف لیزرهای حالت قفل شده به طور پیوسته و قابل تنظیم، کاربردهای بالقوه زیادی برای ارتباطات، طیفسنجی و سنجش وجود دارد. Senica میگوید: «برای حوزه زمان، قطار پالس منسجم را میتوان با یک سیگنال مایکروویو خارجی دلخواه یا خط تاخیر قابل تنظیم هماهنگ کرد. "برای حوزه فرکانس، فاصله حالت قابل تنظیم در شانه فرکانس می تواند هر شکاف طیفی را ببندد."
در واقع، سنیکا و همکارانش قبلاً آزمایش طیفسنجی جذبی را نشان دادهاند که فقط به یک آشکارساز شدت ساده-بهجای یک دستگاه طیفسنج رومیزی- نیاز داشت.
Senica می گوید: «ما معتقدیم رویکرد ما برای پیاده سازی با انواع دیگر لیزرهای نیمه هادی در سراسر مناطق مادون قرمز و مرئی طیف الکترومغناطیسی نسبتاً ساده خواهد بود و راه را برای کاربردهای متنوعی هموار می کند. یکی از جنبههای مهم، بهینهسازی خواص مایکروویو، همراه با بستهبندی پیشرفته چنین دستگاههایی است.
