超高速半導体ディスクレーザーの最近の進歩

Light: Science & Applications volume 4、e310 ページ (2015) この記事を引用

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超高速半導体ディスクレーザーの性能は、ここ数十年で急速に進歩しました。ピコ秒およびフェムト秒領域における安価でコンパクトで信頼性の高い超高速レーザー光源に対する産業界の強い関心により、この技術が商用製品に向けて推進されています。周波数計測や生物医学用途では、キロワット範囲のピーク電力で 200 フェムト秒未満のパルス持続時間が得られると考えられます。このレビューの目的は、市場の可能性を簡単に説明し、モードロック半導体ディスクレーザーの現状の概要を示すことです。特に、より高いピークパワーでより短いパルスを達成するための継続的な取り組みに重点が置かれています。

ここ数十年で、超高速レーザーはさらなる高性能化を目指して急速に進化してきました。超高速レーザーには、市場分野への応用を可能にする 3 つの重要な特性があります。まず、パルス持続時間が短いため、時間領域での高分解能測定が可能です。言い換えれば、高速現象を測定するためのほぼ完璧な超高速「フラッシュ」です。第二に、レーザーエネルギーは短パルスに集中しているため、非常に高いピークパワーを持ち、重要な材料の相互作用が可能になります。最も重要なのは、短光パルスが重大な残留物を生成することなくほぼすべての材料を除去またはアブレーションできる「コールドアブレーション」です。処理中のサンプル内の熱。この技術により、現在使用されている多くの既存および新しいタイプの材料および薄膜の非常に正確な微細加工が可能になります。将来の製品にも活用できる可能性があります。さらに、新しいタイプの生物医学および組織外科アプリケーションも可能になります。第三に、短い時間パルスはそれに応じて大きな光帯域幅を持ち、この特徴は正確な測定診断や計測に利用できます。これらの機能とその他の多数のアプリケーションの詳細な概要は、いくつかのレビュー記事 1、2 で説明されていますが、この研究の範囲を超えています。 1990 年代に開発された半導体可飽和吸収ミラー (SESAM) モードロックレーザーとダイオード励起固体レーザー (DPSSL) を組み合わせたシンプルさにより、多くの新しい実用的な市販の超高速レーザーシステムが誕生しました。これらのレーザーシステムは、多くの関連アプリケーションで広く使用されており、高価で電力を消費し、メンテナンスに多大な労力を要するレーザーが置き換えられています。最近の安価でコンパクトな半導体ディスクレーザー (SDL) の開発により、コンパクトな測定機器などの新しい市場が開拓される可能性があります。この成果により、最終的には超高速レーザーが、自動車産業における光検出測距（LIDAR）技術5や、セキュリティやインタラクティブメディアにおけるナチュラルユーザーインターフェース（NUI）アプリケーションなどの大量消費者市場にアクセスできるようになるでしょう6。

光周波数コムアプリケーションの場合、ギガヘルツパルス繰り返しレート領域に移行すると、モードロック周波数コムスペクトルの個々のラインの間隔がさらに離れ、個々のコムラインへのアクセスが向上するという利点があります。さらに、所定の平均パワーに対するコムラインあたりのパワーが増加し、周波数コム計測アプリケーションにおける信号対雑音比が増加します。現在のギガヘルツレーザーの分野は依然としてカーレンズモードロック (KLM) Ti:サファイアレーザーによって支配されており、最大 10 GHz の繰り返しレートで短いフェムト秒パルスを生成します7。 SESAM モードロック DPSSL の最近の開発によっては、Ti:sapphire レーザーの限界を超えて繰り返し率をさらに高めることができる可能性があります。さらに、比較的安価な高出力ポンプダイオードアレイを使用して励起することができ、KLM Ti:サファイアレーザーほどキャビティ安定エッジの近くで動作する必要がありません。

超高速半導体レーザーは、超高速 DPSSL と比較して、より安価でよりコンパクトになる可能性があります。このタイプのレーザーは、ギガヘルツパルス繰り返し率領域で非常によく動作し、ウェーハスケールで大量生産できるという利点があり、より複雑な光回路にモノリシックに統合できます10、11。さらに、発光波長はバンドギャップエンジニアリングによって設計でき、Qスイッチングが不安定になることなく繰り返し率を数十GHzまで簡単に高めることができます。

1360 nm Figure 12a. The dispersive wave centered at 680 nm and the Raman soliton centered at 1360 nm were used to generate a CEO beat note in a standard f-to-2f interferometer, as shown in Figure 12b. This fCEO beat note at approximately 733 MHz can be used to stabilize one degree of freedom of the frequency comb generated by the mode-locked VECSEL. The CEO beat note shifts when modulating the pump current of the VECSEL, which can be used for a future stabilization of the CEO frequency. In addition to the CEO stabilization control via the pump current to the diode pump lasers, the CEO frequency can also be stabilized by optically pumping the SESAM144. Whether this stabilization mechanism is suitable for SESAM mode-locked VECSELs still has to be investigated. For MIXSELs, this result will be even more challenging./p>200 µJ/cm2), whereas the absorber saturation fluence must be kept low (<5 µJ/cm2) to generate sub-200 fs pulses with significant output power (i.e., >500 mW average output power) (Figure 14b and 14c). The gain saturation fluences of ultrafast VECSELs have been measured and found to be in the range between 30 and 80 µJ/cm2.155 Increasing the gain saturation by reducing the field enhancement decreases the small-signal gain, as discussed in the previous subsection, which makes it technologically more challenging to combine sub-200 fs pulses with a high average output power. Recently, the effect of gain saturation has been theoretically studied by Kilen et al.157 with a detailed microscopic model. The authors clearly demonstrate the effects of gain saturation and kinetic hole burning in mode-locked lasers. This publication also emphasizes the instabilities in mode-locked operation, such as (unwanted) multi-pulse formation at high inversion levels./p>