Цель исследования

Исследование возможности применения внутренних дифракционных решеток для достижения одночастотного режима генерации в мощных многомодовых полупроводниковых лазерах. Для решения поставленной задачи было предложено использовать внутренний диспергирующий элемент — дифракционную решетку высокого порядка дифракции, которая обеспечивала селективную обратную связь в резонаторе лазера. Разработанная конструкция лазера позволяет сузить ширину спектра генерации лазера до значений менее 1 нм, то есть полностью решить поставленную задачу.

Основные результаты проекта

• Для получения высокоэффективных лазерных гетероструктур с низкими внутренними оптическими потерями была создана и экспериментально реализована методика их выращивания методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений и гидридов.

  В целях определения оптимальных геометрических параметров внутренней дифракционной решетки проводилось математическое моделирование. Показано, что наилучшие результаты по селекции мод достигаются с помощью глубокой дифракционной решетки трапециевидной формы с максимально большим фактором заполнения.

  Опираясь на эти расчеты, в процессе постростовой обработки лазерной гетероструктуры с помощью технологий фотолитографии и реактивного ионного травления были получены глубокие дифракционные решетки трапециевидной формы с фактором заполнения свыше 90%. Из данной структуры по разработанной методике были изготовлены экспериментальные образцы мощных полупроводниковых лазеров с внутренней дифракционной решеткой. Образцы имели ширину полоскового контакта и апертуру излучения 100 мкм, длину полупроводникового лазера от 2 до 4 мм.

• Измерения выходных характеристик изготовленных образцов в непрерывном режиме работы продемонстрировали следующие результаты: максимальная мощность излучения составила 5.2 Вт, пороговый ток — Ith=0.9 А, длина волны генерации λ=1073 нм, ширина спектра генерации — Δλ=6 Å, расходимость излучения вдоль быстрой оси — 30º.

• Особенностью лабораторных образцов является большое значение периода дифракционной решетки (Λ>2 мкм) и, следовательно, высокий порядок дифракции (n≥12). Столь большой период дифракционной решетки позволяет использовать технологию фотолитографии для еѐ изготовления, что существенно упрощает и удешевляет постростовой процесс. Необходимо отметить, что применение дифракционной решетки с большим периодом возможно только в лазерных структурах с низкими внутренними оптическими потерями.

• На данный момент в России не существует аналогов по экспериментальной реализации технологии изготовления мощных полупроводниковых лазеров с внутренней дифракционной решеткой, и, соответственно, образцов лазерных диодов с достигнутыми в рамках проекта характеристиками. В мире существует лишь несколько научных групп (в частности, в Германии и США), которые достигли сопоставимых результатов (мощность излучения 5–10 Вт, ширина спектра излучения — 1–2 нм). Однако используемая ими методика изготовления лазеров данного типа подразумевает использование более высокотехнологичного и, как следствие, дорогого оборудования.