Достижения в области разработки и создания мощных лазеров на основе полупроводниковых наногетероструктур за последнее десятилетие привели к широкому внедрению лазерных технологий в различные области: от машиностроения и обработки материалов до медицины и энергетики. Малые размеры, высокая надежность, рекордная энергоэффективность (КПД более 60%) делают источники на основе полупроводниковых лазеров незаменимыми для решения задач оптической накачки активных сред твердотельных и волоконных технологических лазеров. Использование современных технологических лазеров позволяет существенно повысить эффективность и качество стандартных операций, связанных с обработкой материалов, а также проводить ранее недоступные операции по прецизионной микрообработке, упрочнению и профилированию различных типов материалов. Интеграция лазеров в аддитивные технологии позволяет осуществить переход к передовым цифровым, интеллектуальным технологиям в производстве изделий повышенной точности и высоким уровнем детализации.
Кроме мощных технологических лазеров в ведущих странах мира реализуются проекты, направленные на разработку сверхмощных лазерных систем для исследования процессов управляемого термоядерного синтеза, как источника энергии нового типа (установки LIFE, HiPER и др.). В России такой проект реализуется в рамках создания лазерной установки УФЛ 2М. Принципиальным отличием от высокоэнергетических установок предыдущего поколения (Искра-5) является использование в качестве активной среды неодимового фосфатного стекла. Оптическая накачка только одного канала таких установок требует использование решеток полупроводниковых лазеров мульти МВт уровня. В качестве примера, установка LIFE имеет 384 лазерных канала на основе Nd-стекла с требуемой мощностью системы накачки на основе полупроводниковых лазеров до 132 МВт на каждый канал. В общей сложности система накачки высокоэнергетической лазерной установки для исследования управляемого термоядерного синтеза может потребовать до 100млн. единиц линеек мощных полупроводниковых лазеров с выходной оптической мощностью 500 Вт.
В настоящее время увеличение оптической мощности в лазерных системах на основе полупроводниковых гетероструктур реализуется за счет расширения излучающей апертуры (увеличение ширины области излучения в линейках и количества линеек в решетках), что позволяет преодолеть кВт уровень. Однако такой подход теряет свою эффективность как при решении задач создания высокоэффективной накачки, так и разработки полностью полупроводниковых мощных лазерных систем. Это связано с катастрофическим ухудшением таких ключевых параметров как спектральная и пространственная яркость. В последние годы ведущие лаборатории мира, разрабатывающие мощные лазерные системы на основе полупроводниковых гетероструктур, начали развивать принципиально новый подход к созданию полупроводниковых лазерных излучателей кВт уровня. Поэтому на сегодняшний день проблема повышения доступности современных технологических лазеров и создания высокоэнергетических лазерных установок связана с работами в области создания высокоэффективных интегральных мультикиловаттных лазерных систем на основе полупроводниковых гетероструктур с предельной спектральной и пространственной яркостью.
Несмотря на наличие понятных внешних факторов, характеризующих проявление проблемы достижения предельной спектральной и пространственной яркости при сверхвысоких уровнях возбуждения, к настоящему времени отсутствуют теоретические модели, и практические подходы, позволяющие решать данную проблему. Научная значимость предлагаемого проекта сводится к тому, что впервые будет разработана платформа, объединяющая: (i) многомерную физическую модель, обладающую полнотой экспериментальных исследований, построенную на базе современных вычислительных ресурсов;(ii) технологические методы формирования интегрированных многоэлементных лазерных систем с элементами управления оптическими потоками на базе современных эпитаксиальных и постростовых методик; (iii) методы и подходы, обеспечивающие полноту измерения характеристик процессов с пространственно временным разрешением в образцах мощных лазерных систем в режимах сверхвысоких уровней электрооптического возбуждения.
Для решения поставленной проблемы в рамках предлагаемого проекта впервые будут разработаны физико-технологические основы создания интегральных многоэлементных фотонных схем на основе полупроводниковых наногетероструктур Al-Ga-In-As-P/GaAs для мощных источников лазерного излучения, излучающих в спектральном диапазоне 800-1100нм, с использованием технологии селективной эпитаксии. Новый тип полупроводниковых гетероструктур, обеспечит модовую и спектральную селекцию при сверхвысоких уровнях возбуждения, и, таким образом позволит решить проблему достижения предельной пространственной и спектральной яркости за счет сохранения одномодовых или маломодовых характеристик лазерного излучения для кВт диапазона выходной оптической мощности. Для решения задач модовой и спектральной селекции впервые будет разработана технология селективной эпитаксии наногетероструктур Al-Ga-In-As-P/GaAs, позволяющая формировать вертикальные решетки активных областей с заданным пространственным распределением, что обеспечит кратное повышение яркости и пиковой мощности. Разработка дизайна гетероструктур будет основываться на использовании разработанных ранее подходов по модовой селекции в одномерных лазерных волноводах и 3D моделях, которые будут созданы в проекте.
В рамках проекта будет разработана производственная технология линейки мощных лазерных излучателей, превосходящих по своим характеристикам мировые аналоги: мощные одномодовые лазеры с узким полосковым контактом и мощностью до 5Вт, линейки полупроводниковых лазеров для накачки твердотельных активных сред, обеспечивающие возможность генерации выходной оптической мощности кВт диапазона с апертуры не более 1см, в том числе с предельной пространственной и спектральной яркостью, оптоволоконные модули с пиковой мощностью кВт диапазона, в том числе при нс- и суб-нс длительностях импульса и интегрироваными источниками питания. Внедрение результатов проекта позволит Партнерам проекта развить российское производство высокоэффективных мультикиловаттных систем на основе полупроводниковых гетероструктур, а также сформировать физико-технологические заделы в области критических технологий, отсутствующих в России, в частности технологий создания фотонных интегральных схем для решения задач информационных технологий.
Ожидаемые результаты
В рамках предлагаемого проекта впервые будет разработана технология селективной эпитаксии, обеспечивающая формирование сегментированных квантоворазмерных активных областей и оптически связанных планарных волноводов. Разработанная технология позволит реализовать модовую селекцию в волноводах со сверхширокой апертурой и реализовать режим одномодовой и маломодовой генерации. Впервые будет разработана эпитаксиальная технология получения планарных вертикально-интегрированных решеток активных областей в многопереходной гетероструктуре с функцией сильноточного ключа с малосигнальным управлением. Разработанные структуры позволят кратно повысить пространственную яркость и эффективность импульсной токовой накачки. На базе разработанных технологий селективной эпитаксии и новых типов конструкций гетероструктур будет: (i) разработана серия одномодовых и маломодовых одиночных лазеров со сверхширокой апертурой, превосходящие по своим характеристикам мировые аналоги, и, работающим при сверхвысоких уровнях возбуждения с выходной мощностью более 5 Вт в спектральном диапазоне 800-1100нм; (ii) впервые продемонстрированы подходы, обеспечивающие возможность генерации пиковой мощности кВт уровня с апертуры не более 1см, в том числе с энергетической эффективностью более 70%; (iii) исследованы режимы фазировки многоэлементной гетероструктуры при переходе к сверхвысоким уровням возбуждения, что впервые позволит перейти к одномодовому режиму работы с предельной пространственной яркостью, в том числе при кВт уровне пиковой выходной оптической мощности; (iv) исследованы интегральные и гибридные подходы, обеспечивающие заужение спектров генерации в линейках маломодовых и одномодовых волноводов на основе многоэлементных лазерных гетероструктур при сверхвысоких уровнях возбуждения за счет использования поверхностных брэгговских решеток и оптических схем с внешними селектирующими элементами.
В ходе выполнения проекта будут также разработаны системы импульсного питания, обеспечивающие эффективную импульсную накачку мульти кВт лазерных систем, адаптированную под нагрузку в виде многоэлементных гетероструктур, а также оптические схемы фокусировки для создания оптоволоконных модулей, что имеет практическую значимость при внедрении результатов проекта на предприятиях партнеров.
В России будет разработана технология изготовления мощных источников лазерного излучения с предельной пространственной и спектральной яркостью на основе полупроводниковых гетероструктур, превосходящих мировые аналоги. Полученные научные результаты имеют прямую перспективу коммерциализации, в которой заинтересован сформированный консорциум Партнеров из числа российских предприятий, специализирующихся в области разработки и изготовления продукции различного профиля (от технологического лазерного оборудования, высокоэнергетических лазерных установок и ЛИДАРных комплексов до лазерного медицинского оборудования) на основе мощных полупроводниковых лазеров и систем на их основе.
Отдельный интерес вызывает область работы полупроводниковых лазеров с предельной пространственной яркостью и пиковой оптической мощностью кВт уровня в режимах генерации коротких импульсов нс- и суб-нс длительностей. Разработка таких источников позволит заменить волоконные и твердотельные лазеры в ряде технологических задач, что повысит доступность и эффективность разрабатываемых лазерных технологий.
