Skräddarsydd distribuerad återkoppling i halvledarlasrar gör det möjligt att specificera fler av laserljusets egenskaper

Forskningsprojekt, 2011 – 2013

En laser producerar ljuspartiklar, fotoner, genom stimulerad emission. Detta är en process som innebär att fotonen skapar en kopia av sig själv, med samma egenskaper. Om vi vill att laserljuset ska ha vissa egenskaper så måste alltså de fotoner som kommer in till kopieringen ha dessa egenskaper. Detta kan man åstadkomma med speciella speglar som reflekterar ljus med just de önskade egenskaperna. Dessa kommer då att upprepade gånger reflektera tillbaka de önskade fotonerna mot det område i lasern där kopieringen sker, och denna återvinning gör att dessa fotoner totalt dominerar i antal i kopieringsområdet och alstar ännu fler önskade fotoner. Resultatet blir att lasern mycket snabbt ställer in sig och enbart skickar ut ljus med de önskade egenskaperna (inte ens för de önskade fotonerna fungerar spegeln helt perfekt - de fotoner som trots allt smiter ut utgör den användbara laserstrålen). Vilka egenskaper som är önskade är olika beroende på tillämpningen. Till exempel kan man vilja att lasern skickar ut ljus med två olika färger samtidigt, eller att den skickar ut ett mycket rent enfärgat ljus. Man kan också vilja att fotoner med olika färg undviker varandra inuti lasern för att inte störa varandras kopieringprocesser. Problemet är att skapa speglar som bara reflekterar de speciella fotoner som önskas. I det föreslagna projektet ska vi förutsättningslöst undersöka hur sådana speglar kan designas. Det räcker inte med att göra dem abrupta som vanliga speglar, utan de måste ha ett djup så att ljuset kan tränga in ett stycke. Därför sägs dessa speglar vara distribuerade. Speglarna består av material vars egenskaper är "störda" på vissa ställen, varje störning leder till en reflektion av en liten del av ljuset. Denna reflektion är i sig helt obetydlig, men tillsammans med reflektionerna från alla andra störningar kan nettoeffekten - om designern tänkt rätt - bli att de önskade fotonerna, och inga andra, reflekteras tillbaka till nästan 100%. Dessutom måste deras fas, d.v.s. deras skenbara fördröjning på grund av inträngningen i den distribuerade spegeln, vara korrekt, annars kommer fotonerna att tendera att släckas ut vid nästa återkomst till spegeln. Allt detta är en kraftfull demonstration av ljusets förmåga att interferera, alltså att ljus kan förstärkas eller släckas ut av ljus som gått en annan väg - eller samma väg fast flera "varv". I det föreslagna projektet kommer vi att studera halvledarlasrar, som är den vanligaste lasertypen. Eftersom halvledarlasrar är så små, vanligen mycket mindre än en millimeter, så måste tillverkningen av dessa ske med mikro- och nanoteknik. Distribuerade speglar används redan mycket i halvledarlasrar, men då handlar det nästan uteslutande om en standarddesign, den så kallade distribuerade Bragg-spegeln. Dess uppgift är i stort sett bara att vara som en riktigt bra abrupt spegel, möjligheten att skräddarsy den för speciella fotoner utnyttjas inte. En anledning till detta är förmodligen att forskningen om halvledarlasrar traditionellt inte sysslat med denna typ av avancerade strukturer som måste designas med metoder som snarast påminner om dem som används inom den mer renodlade optikforskningen, som t.ex. inom det område som kallas diffraktiv optik där man intensivt utnyttjar interferens i komplicerade strukturer. I det föreslagna projektet finns kompetens från båda dessa områden. Både i form av teoretiskt kunnande och lång erfarenhet av att utveckla designmetoder, men också av tillverkning av alla de lasertyper och störningar som vi kommer att använda oss av. Vi tror att detta är en bra grund för projektet och för att bana väg för halvledarlasrar med förbättrade prestanda och flera funktioner, och som inte är mer komplicerade att tillverka än dagens lasrar med distribuerade standardspeglar.

Deltagare

Finansiering

Publikationer

Realization of spectrally engineered semiconductor Fabry-Perot lasers with narrow geometrical tolerances

Mer information

Senast uppdaterat