Новую конструкцию лазерных диодов предложили исследователи Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН. В ней к основному активному волноводу добавлен один или несколько пассивных, которые эффективно «гасят» паразитные моды лазерного излучения. Благодаря этому значительно улучшаются качества выходного светового пучка, а сам полупроводниковый лазер можно делать крупнее и получать с него больше световой мощности.

Лазерные диоды представляют собой одни из самых маленьких лазеров, в котором все функциональные элементы: усиливающая среда и оптический резонатор — объединены в едином многослойном полупроводниковом кристалле. Компактные и надежные, с высоким КПД, лазерные диоды широко применяются в системах передачи информации, для накачки твердотельных, волоконных лазеров и оптических усилителей, обработки материалов, в метрологии, полиграфии, медицине и многих других областях.

Однако малые размеры кристалла не только составляют преимущество лазерных диодов, но и становятся причиной серьезных проблем. Лазеры работают в предельных режимах. Например, плотность световой мощности на лазерных зеркалах может достигать 15-20 МВт/см² (в сто миллионов раз больше, чем максимальная плотность солнечного света на поверхности Земли). При таких плотностях уже начинает разрушаться сам лазерный кристалл.

Казалось бы, можно увеличить размер кристалла, точнее, оптического волновода — той части лазера, в которой между зеркалами резонатора распространяется свет, прежде чем выйти наружу. Но при этом ухудшается «качество» излучения, так как в нем появляются дополнительные оптические моды.

Эффекты дифракции и интерференции на зеркалах резонатора и на границах волновода приводят к тому, что в лазере устанавливаются определенные пространственные распределения электромагнитного поля, называемые оптическими модами. С формальной точки зрения, мода — это устойчивое состояние электромагнитного поля, одно из решений уравнений Максвелла для данной системы. Самый привлекательный для практического применения вариант, когда в волноводе существует одна мода (или мода нулевого порядка), и ее поперечный профиль интенсивности имеет один максимум. Но это возможно, если толщина волновода составляет порядка 1 мкм (миллионная доля метра). Если волновод толще, то в нем появляются паразитные оптические моды высоких порядков, имеющие несколько максимумов в поперечном профиле. Как результат, выходной лазерный пучок также имеет несколько максимумов в диаграмме направленности и его качество сильно ухудшается. Задача, которая стоит перед специалистами: увеличить максимальную мощность полупроводниковых лазеров, увеличив толщину волновода, но при этом не потерять в качестве светового пучка.

Оригинальное и эффективное решение предложили исследователи из Центра физики наногетероструктур ФТИ им. А.Ф. Иоффе. Суть новой конструкции лазера в том, что параллельно основному широкому волноводу с активной областью располагаются один или два узких пассивных волновода (пассивными их называют потому, что они не генерируют лазерное излучение). Расстояния между волноводами меньше длины волны излучения, и свет может «перетекать» из одного волновода в другой, поэтому оптические моды волноводов начинают взаимодействовать. При этом толщина узких волноводов рассчитана таким образом, что взаимодействуют только паразитные моды.

Когда начинается генерация лазерного излучения, то паразитные моды активного волновода «утекают» в пассивные и там поглощаются в материале волновода, так что фундаментальная («полезная») мода активного волновода остается единственной излучающей модой лазера.

Предложенная конструкция получила название «CLOC-лазер» или «лазер с широким связанным волноводом» (так переводится аббревиатура CLOC — «Coupled Large Optical Cavity»). Она была экспериментально проверена для полупроводниковых лазеров на основе арсенида галлия, излучающих в инфракрасной области спектра на длине волны 1 мкм. Удалось расширить волновод в три раза (его толщина составила 2,5 мкм), сохранить качество излучения и получить высокую токовую и температурную стабильность лазерного пучка. Это значит, что можно ожидать существенного увеличения световой отдачи мощных полупроводниковых лазерах с таким типом волновода.

Еще одно большое преимущество подхода — его полная совместимость с используемыми технологиями изготовления полупроводниковых лазеров, поэтому можно говорить о хороших перспективах его коммерциализации как в России, так и за рубежом.

Схема принципа действия CLOC-лазера. Паразитная...

Схема принципа действия CLOC-лазера. Паразитная мода высокого порядка (зеленый график) туннелирует из активного волновода А в резонансный пассивный волновод Р, основная мода (синий график) остается в активном волноводеСхема принципа действия CLOC-лазера. Паразитная мода высокого порядка (зеленый график) туннелирует из активного волновода А в резонансный пассивный волновод Р, основная мода (синий график) остается в активном волноводе

Коллектив авторов (Н.Ю. Гордеев, А.С. Паюсов, Ю.М. Шерняков, Н.А. Калюжный, С.А. Минтаиров, М.В. Максимов) подал заявку на выдачу патента Российской Федерации на изобретение, а научные результаты в 2015 году были опубликованы в журнале Optics Letters, 40(9), 2150 (2015), и представлены на научных конференциях в России и США. Работа авторов была удостоена премии как лучшая научная работа ФТИ им. А.Ф. Иоффе 2015 года («Управление модовым составом излучения широкоапертурных полупроводниковых лазеров»).

Управление модовым составом излучения широкоапертурных полупроводниковых лазеров. Аннотация на сайте ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН