简单修改半导体激光器的形状可提高其光束质量

阿卜杜拉国王科技大学的科学家已经证明了一种改变紧凑型半导体激光器使其更适用于照明和全息照相的简单方法。这项研究成果发表在近期的Optica杂志上。

半导体技术允许将激光器的所有元件封装到微米级器件中。这包括一个光学活性的光放大区域，每侧都有一个高反射镜。

垂直腔表面发射激光器或VCSEL，是通过在衬底上精确地放置或生长交替的半导体层来制造高反射镜。然后在顶部生长活性材料，随后生长第二反射镜。然后可以从设备的顶部发射激光。

混沌腔表面发射激光器阵列的示意图。这种新型激光阵列结合了混沌腔和表面发射配置的优势，实现了高质量的照明和高速通信。

VCSEL是有利的，因为可以在同一基板上同时创建和使用数百个VCSEL。但光束容易出现斑点状轮廓，这使得它不适合照明、全息术、投影和显示器等应用。这些都需要在垂直于光束传播方向的平面内均匀的光。

斑点源于腔的高度有序性，这只允许发射少量的模式或光线轨迹。研究人员Omar Alkhazragi解释道：“VCSEL利用一个有序的腔，只允许在少数模式下以极高的效率进行光的共振。”。“这些模式下的光子相互干扰，导致斑点和低照明质量。”

Alkhazragi和KAUST的同事，以及来自中国的同事，已经证明，通过改变器件的形状来打破腔的对称性，就可以减少VCSEL激光中的斑点。这在生成的光中引入了混沌行为，并允许发射更多的模式。

Alkhazragi和团队研究了具有D形腔的VCSEL，并将其与具有标准圆柱形或O形几何形状的VCSEL进行了比较。他们观察到，D形器件表现出显著降低的相干性和相应的60%的光功率增加，这是可实现的最大值。

研究人员将这种改善归因于腔内光线的混沌动力学。由于光是以相互不相干的模式发射的，因此散斑的可见性降低。

Alkhazragi说：“机器学习可以帮助设计空腔，进一步最大化模式数量，降低相干性，从而将斑点密度降低到低于人类感知。”

相关链接：https://phys.org/news/2023-03-simple-modification-semiconductor-laser-quality.html