碘稳频激光器

硅基光电子集成芯片以成熟稳定的CMOS工艺为基础，将传统光学系统所需的巨量功能器件高密度集成在同一芯片上，提升芯片的信息传输和处理能力，可广泛应用于超大数据中心、5G/6G、物联网、超级计算机、人工智能等新兴领域。硅(Si)材料发光效率低，因此将发光效率高的III-V族半导体材料如砷化镓(GaAs)外延在CMOS兼容Si基衬底上，并外延和制备激光器被公认为最优的片上光源方案。Si与GaAs材料间存在大的晶格失配、极性失配和热膨胀系数失配等问题，因而在与CMOS兼容的无偏角Si衬底上研制高性能硅基外延激光器需要解决一系列关键的科学与技术难点。 　　近期，中国科学院半导体研究所材料科学重点实验室杨涛与杨晓光研究团队，在硅基外延量子点激光器及其掺杂调控方面取得重要进展。该团队采用分子束外延技术，在缓冲层总厚度2700nm条件下，将硅基GaAs材料缺陷密度降低至106cm-2量级。科研人员采用叠层InAs/GaAs量子点结构作为有源区，并首次提出和将“p型调制掺杂+直接Si掺杂”的分域双掺杂调控技术应用于有源区，研制出可高温工作的低功耗片上光源。室温下，该器件连续输出功率超过70mW，阈值电流比同结构仅p型掺杂激光器降低30%。该器件最高连续工作温度超过115°C，为目前公开报道中与CMOS兼容的无偏角硅基直接外延激光器的最高值。上述成果为实现超低功耗、高温度稳定的高密度硅基光电子集成芯片提供了关键方案和核心光源。 　　6月1日，相关研究成果以Significantly enhanced performance of InAs/GaAs quantum dot lasers on Si(001) via spatially separated co-doping为题，发表在《光学快报》(Optics Express)上。国际半导体行业杂志Semiconductor Today以专栏形式报道并推荐了这一成果。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等的支持。图1.硅基外延量子点激光器结构示意及器件前腔面的扫描电子显微图像。图2.采用双掺杂调控的器件与参比器件在不同工作温度下的连续输出P-I曲线，插图为双掺杂调控激光器在115℃、175mA连续电流下的光谱。

据英国国家物理实验室（NPL）网站报道，NPL、英国空间署（UKSA）和欧洲空间局（ESA）正为未来的太空任务开发超稳定激光器和光学时钟，以改进未来的导航和计时。NPL的立方腔专利设计使光学腔的频率稳定性对振动高度不敏感，具有独特的鲁棒性，可将商业激光系统的谱线宽度从几个MHz降低到1 Hz以下。这提供了超稳定的激光器，既可作为独立的频率参考，也可作为光学原子钟的子组件。这种光学原子钟和超稳定激光技术在未来科学（基础物理学和宇宙学）、地球观测（相对论大地测量学）和导航（未来全球导航卫星系统）计划等方面具有较大应用前景。在NASA/ESA的下一代重力任务中，NPL的立方体空腔可用来测量地球重力场作为地球表面位置的函数。在极地地区，这种技术可比以前的GRACE和GOCE任务更精确地监测冰川变化。在未来NASA/ESA 2030激光干涉仪空间天线（LISA）任务中，可作为空间引力波测量的参考。注：本文摘自国外相关研究报道，文章内容不代表本网站观点和立场，仅供参考。

滨松光子学株式会社（静冈县滨松市，董事长：昼马 明 ，以下简称“滨松光子学（株）”）将传统泵浦用半导体激光器的功率提高了三倍，并优化了放大器的设计 ，成功开发了只有桌面尺寸大小，可以产生1焦耳（以下，j）的高能量、300赫兹（以下，hz）高重复频率的功率激光器。一般的激光器的输出功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，而该课题实现了小型却高功率、高重复频率的激光器。本产品的诞生，通过去除细小的污垢的激光清洁来提高了传统加工的生产效率，同时，期待它在金属材料的激光成形、延长金属器件的使用寿命的激光喷丸等方面的新应用。该产品的开发是内阁办公室主导的综合科学技术与创新研发推进项目（impact）的一部分，是佐野雄二负责的“普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会”研发项目的一环，由滨松光子学（株）中央研究所产业开发研究中心副所长川嶋利幸等人开发，而且今后我们也将继续推进研究成果的产品化。此外，该新研发的产品将于11月1日（星期四）起连续3天在actcity滨松（滨松市中町区）举行的滨松光子综合展“2018photon fair”上展出。＜关于功率激光器＞功率激光器主要由振荡器和放大器组成。 振荡器由泵浦用半导体激光器、激光介质、全反射镜、输出镜和光开关组成，放大器由泵浦用半导体激光器和激光介质组成。 由振荡器发出的激光通过放大器时，从三种高能量状态（激发状态）的三段激光介质接收能量实现高功率输出。功率激光器的结构＜新产品概述＞该产品搭载了最新研发的泵浦用半导体激光器，虽然只有桌子尺寸大小，但却是可以产生1j的高脉冲能量且300hz的高重复频率的功率激光器。滨松光子学（株）已经开始制造并销售300hz的重复频率下输出功率为100w的泵浦用半导体激光器。此次，结合公司独有的晶体生长技术和镀膜技术，将传统泵浦用半导体激光的功率提高到世界最高水平300w，同时放大器在激光介质的长度和横截面积上下功夫，并采用具有提高冷却效率的放大器，解决了由于热问题导致激光介质损坏或破坏的问题，成功输出了传统放大器的3倍能量。这是因为放大器采用了新的散热设计，提高了激光的放大效率。此外，由于采用半导体激光器作为泵浦光源，具有高于市面上销售的氙灯泵浦脉冲激光器约10倍的光电转换效率，约100倍的泵浦光源的寿命。通过控制零部件的数量，成功实现了器件的稳定输出、小型以及低成本。一般激光器的功率与设备的尺寸、重复频率成正相关关系，但本产品却实现了小型而又高功率和高重复频率的特性。利用该产品，可以对附着于材料上的小污垢进行激光清洁，以提高传统加工的生产效率。此外，我们也期待脉冲激光器在工业领域的新应用，如飞机的金属材料等可以在不使用模具的情况下进行变形加工完成激光成形，以及通过激光喷丸来提高金属器件的使用寿命等。＜研发背景＞激光在金属材料的钻孔、焊接、切割等方面有着广泛地加工用途，为了提高生产效率，光纤激光器和co2激光器等各种各样的激光都在朝着高功率的方向发展。激光分连续输出一定强度激光的cw（continuous wave）激光和短时间内重复输出激光的脉冲激光，目前cw激光是激光加工领域的主流。另一方面，脉冲激光不同于cw激光，它正在朝着新型激光加工的应用方向发展。采用半导体激光器作为泵浦光源的功率激光器，它具有高功率、高重复频率的特性，但因为半导体激光器价格昂贵很难推向产品的实用化，而市场上销售的j级脉冲激光器上使用的泵浦光源多采用氙灯光源，对激光器内部有严重地热影响，因此重复频率只能限制在10hz左右。像这样，为了进一步提高生产效率，同时扩大用途，对小型且可以发出高功率、高重复频率脉冲激光的激光器的需求日益增加。主要规格＜委托研究信息＞此研究成果，是通过以下的科研课题项目得到的。内阁办公室创新研发推进项目（impact）项目负责人：佐野雄二研发项目：普及功率激光器以实现安全、安心、长寿社会研发课题：开发高功率小型功率激光器研究负责人：川鸠利幸（滨松光子学株式会社 中研研究所 产业开发研究中心 中心副主任）研发时间：2015年~2018年本研究开发课题是致力于开发桌子大小、高功率、高重复且稳定性高的脉冲输出的功率激光器。＜项目负责人佐野熊二的评论＞“普及功率激光器以实现安全、安心和长寿的社会”的impact计划，推动了大功率脉冲激光器的小型化、简化和高性能的发展，这对于探索最先进的科学和工业是不可缺的，同时，我们也正在推进相关基础技术和应用技术的开发，旨在提供可以随时随地使用，具有高稳定性的廉价激光器，向工业领域的创新努力。此次，滨松光子学（株）的开发团队采用了自有的先进半导体激光器作为泵浦高能脉冲激光器的光源，通过优化激光器件，以低价格实现前所未有的小型、高功率、高重复的激光设备。从限制成本和生产效率的角度来看，在我们之前放弃引入激光设备的领域，也期待会有更多的应用。功率激光器设备的结构 功率激光器设备外观