Разработка лазерных диодов и квазирешеток с новым типом селекции пространственных мод для энергоэффективных систем лазерной накачки и обработки материалов

К перспективным технологиям ресурсосберегающей энергетики относятся лазерные системы обработки материалов, включающие резку, сварку, закаливание. В качестве источника когерентного излучения, непосредственно воздействующего на объект, используются твердотельные лазеры с ламповой или диодной накачкой, волоконные лазеры с диодной накачкой и непосредственно лазерные диоды (отдельные или в составе лазерных линеек и матриц). И в варианте использования напрямую, и в варианте использования для накачки от полупроводниковых лазеров и их сборок требуются высокое качество лазерного пучка, высокие мощность и КПД. Высокое качество пучка обеспечивает равномерное излучение, большую глубину фокуса, возможность сведения пучка в микронные размеры. Преимущество лазерных диодов – малые размеры кристалла – одновременно является причиной серьёзных трудностей в получении лазерного пучка высокого качества и малой расходимости, обусловленных дифракционными эффектами. Наилучшее качество пучка обеспечивают пространственно-одномодовые лазеры. Но мощность таких лазеров не превышает сотен милливатт и ограничена объёмом излучающей области, которая задаётся поперечными размерами волновода. Новые поколения систем на основе лазеров требует существенного увеличения их выходной оптической мощности, которое может быть обеспечено только за счёт увеличения ширины волновода. Расширение лазерного волновода приводит к многомодовой генерации, что ухудшает качество лазерного пучка и крайне негативно сказывается на возможностях практического применения лазеров. Формирование лазерного пучка происходит за счёт оптического волновода и резонатора, неотъемлемых компонентов любого лазера, в том числе и диодного. По этой причине прогресс в развитии полупроводниковых лазеров с улучшенными параметрами светового пучка связан именно с поиском новых решений в области лазерных оптических волноводов, что является тематикой предлагаемого проекта. Перспективными накачными источниками являются фазированные полупроводниковые лазерные решетки, представляющие, по сути, сборки синфазно работающих пространственно-одномодовых лазерных диодов. Выходной пучок в этом случае образуется в результате когерентного взаимодействия отдельных каналов и имеет малую расходимость, высокую мощность и качество. Серьёзной проблемой создания синфазных лазерных решёток является возникновение коллективных мод или супермод, количество которых равно числу лазерных каналов. Идеальная решётка должна подавлять все коллективные моды кроме одной. Несмотря на множество предложенных к настоящему времени подходов, эта задача пока эффективно не решена. Научная новизна проекта состоит в том, что будет разрабатываться конструкция пространственно-одномодового торцевого инжекционного лазера, одновременно сочетающая преимущества широкого вертикального волновода (малая расходимость пучка, высокая яркость) и широкого полоскового волновода (увеличенная мощность излучения, высокое качество пучка), и исследоваться принципиально новый механизм формирования излучения синфазной лазерной решётки. Конструкция лазера будет основана на развитии предложенной нами концепции широкого вертикального волновода полупроводниковых лазеров, основанной на связанных резонансных волноводах и получившей название CLOC (Coupled Large Optical Cavity). Конструкция использует эффект оптического туннелирования и позволяет селективно исключать из лазерной генерации моды высокого порядка. Мы планируем разработать пространственно-одномодовые лазеры, в которых концепция CLOC одновременно используется в двух направлениях: для расширения вертикального волновода и для расширения полоскового волновода – 2D-CLOC (Two Dimensional CLOC). Оригинальная идея нового типа лазерной решетки исходит из того, что одиночный пространственно-одномодовый линейный лазер является когерентным сам себе по всей длине резонатора. Можно ожидать, что излучение в точках «поворота» пространственно-одномодового лазерного резонатора с зигзагообразной геометрией будет синфазным. Такая квазирешётка будет иметь достоинства синфазных лазерных решёток в виде узкого мощного пучка, но будет свободна от проблемы коллективных мод. По совокупности параметров (мощность излучения, качество пучка, технологичность) предложенные пространственно-одномодовые лазеры и лазерные квазирешётки внесут вклад в расширение использования полупроводниковых когерентных излучателей в новых энергоэффективных поколениях лазерных систем накачки и промышленной обработки материалов.