Recenti progressi nei laser a disco a semiconduttore ultraveloci

Luce: Scienza e applicazioni volume 4, pagina e310 (2015) Citare questo articolo

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Le prestazioni dei laser a disco semiconduttori ultraveloci sono migliorate rapidamente negli ultimi decenni. Il forte interesse da parte dell'industria per sorgenti laser ultraveloci economiche, compatte e affidabili nei domini dei picosecondi e dei femtosecondi ha spinto questa tecnologia verso prodotti commerciali. La metrologia della frequenza e le applicazioni biomediche trarrebbero vantaggio da durate degli impulsi inferiori a 200 femtosecondi con potenze di picco nell'ordine dei kilowatt. Lo scopo di questa recensione è descrivere brevemente il potenziale del mercato e fornire una panoramica dello stato attuale dei laser a disco a semiconduttore con modalità bloccata. Particolare attenzione è posta sugli sforzi in corso per ottenere impulsi più brevi con potenze di picco più elevate.

Negli ultimi decenni, i laser ultraveloci si sono evoluti molto rapidamente verso prestazioni sempre più elevate. I laser ultraveloci hanno tre caratteristiche chiave che ne consentono l’applicazione in aree di mercato: in primo luogo, la loro breve durata dell’impulso consente misurazioni ad alta risoluzione nel dominio del tempo. In altre parole, sono un “flash” ultraveloce quasi perfetto per misurare fenomeni ad alta velocità. In secondo luogo, poiché l’energia laser è concentrata nel breve impulso, hanno potenze di picco molto elevate, che consentono interazioni chiave tra i materiali, la più importante delle quali è l’“ablazione a freddo” in cui il breve impulso ottico può rimuovere o ablare quasi qualsiasi materiale senza generare residui significativi. calore nel campione in lavorazione. Questa tecnica consente una microlavorazione molto precisa di molti tipi di materiali e film sottili esistenti e nuovi oggi in uso. Ha anche il potenziale per essere utilizzato in prodotti futuri. Inoltre, consente nuovi tipi di applicazioni di chirurgia biomedica e tissutale. In terzo luogo, i brevi impulsi temporali hanno larghezze di banda ottiche corrispondentemente ampie e questa caratteristica può essere sfruttata per misurazioni diagnostiche e metrologiche precise. Una panoramica più dettagliata di queste funzionalità e di numerose altre applicazioni è fornita in diversi articoli di revisione1,2 e va oltre lo scopo di questo studio. La semplicità dei laser mode-locked con specchio assorbitore saturabile a semiconduttore (SESAM), combinati con i laser a stato solido pompati a diodi (DPSSL), sviluppati durante gli anni '903,4 ha portato a molti sistemi laser ultraveloci nuovi, pratici e disponibili in commercio. Questi sistemi laser vengono ampiamente utilizzati in molte applicazioni rilevanti, dove vengono sostituiti laser costosi, assetati di energia e ad alta manutenzione. Il recente sviluppo di laser a disco semiconduttore (SDL) poco costosi e più compatti potrebbe aprire nuovi mercati, come quello delle apparecchiature di misurazione compatte. Questo risultato consentirà infine ai laser ultraveloci di accedere a mercati di consumo ad alto volume, ad esempio, tecniche di rilevamento e misurazione della luce (LIDAR) nell'industria automobilistica5 o applicazioni di interfaccia utente naturale (NUI) nella sicurezza e nei media interattivi6.

Per le applicazioni di pettine di frequenza ottica, il passaggio al regime di velocità di ripetizione degli impulsi gigahertz ha il vantaggio che le singole linee nello spettro del pettine di frequenza con modalità bloccata sono ulteriormente distanziate, il che aumenta l'accessibilità delle singole linee di pettine. Inoltre, la potenza per linea pettinata per una data potenza media viene aumentata, il che aumenta il rapporto segnale/rumore nelle applicazioni di metrologia a pettine di frequenza. L'attuale campo dei laser gigahertz è ancora dominato dal laser Ti:zaffiro con lente Kerr (KLM), che genera brevi impulsi al femtosecondo con velocità di ripetizione fino a 10 GHz7. Alcuni recenti sviluppi nei DPSSL con modalità bloccata SESAM8,9 potrebbero consentire ulteriori aumenti della velocità di ripetizione oltre i limiti del laser Ti: zaffiro. Inoltre, possono essere pompati con serie di diodi di pompa ad alta potenza relativamente economici e non devono funzionare così vicino al bordo di stabilità della cavità come i laser Ti:zaffiro di KLM.

I laser a semiconduttore ultraveloci hanno il potenziale per essere più economici e compatti rispetto ai DPSSL ultraveloci. Questo tipo di laser funziona molto bene nel regime di velocità di ripetizione degli impulsi gigahertz, ha il vantaggio di essere producibile in serie su scala wafer e può essere integrato monoliticamente in circuiti ottici più complessi10,11. Inoltre, la lunghezza d'onda di emissione può essere progettata tramite ingegneria del bandgap e la velocità di ripetizione può essere facilmente aumentata fino a diverse decine di GHz senza instabilità di Q-switching.