Ученые ФТИ им. А.Ф. Иоффе разработали базу для создания сверхмощных лазеров для беспилотных автомобилей

14 Декабря 2022
Ученые центра физики наногетероструктур     Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе разработали новый дизайн полупроводниковых гетероструктур, а также новую технологию роста таких структур на подложках, позволяющую более эффективно генерировать мощное лазерное излучение, необходимое, в том числе для развития беспилотных транспортных средств. Работа выполнялась в рамках гранта (проект №19-79-30072) Российского научного фонда, руководитель проекта член-корреспондент РАН Петр Сергеевич Копьев.
В последние годы технологии, связанные с лазерным излучением особенно востребованы. Помимо активно использующихся еще с прошлого века оптоволоконных линий связи, в современную жизнь вошли, и диодные лазеры, и современные датацентры и суперкомпьютеры. Еще одним таким вызовом на сегодня стало создание беспилотных транспортных средств. Такие транспортные средства должны работать благодаря использованию лазерных ЛИДАРов - технологии измерения расстояний путем излучения лазера и замера времени возвращения этого отражённого света на приёмник. Таким образом ЛИДАРы становятся «глазами» беспилотного транспортного средства.
Однако в настоящее время стоит вопрос правильной генерации такого излучения. Чтобы «рассмотреть» объект на расстоянии сотни метров в любых погодных условиях и обеспечить безопасное движение необходимы источники излучения с большой мощностью и яркостью, но очень коротких – наносекундных длительностей и концентрируемые в небольших точках. Долгое воздействие такого излучение может быть опасно для зрения человека, тогда как при условии движения транспортного средства, необходимо быстро сканировать окружающее пространство. В настоящее время для решения этой задачи применяются волоконные и твердотельные лазеры, который считаются не такими эффективными из-за того, что требуют дополнительный этап «накачки».
«Нами был предложен альтернативный вариант, позволяющий избавиться от лишнего звена в цепочке преобразования энергии источника питания в энергию лазерного излучения. На первом этапе был проведен теоретический расчет, были созданы уникальные многомерные модели. Мы рассчитали процессы взаимодействия носителей тока и света в гетероструктурах (выращенная на подложке структура, состоящая из слоёв различных материалов) и кристаллах мощных полупроводниковых лазеров. Исходя из этого были сгенерированы новые дизайны полупроводниковых гетероструктур и конструкций лазерных кристаллов для последующей экспериментальной реализации», - сообщил основной исполнитель проекта, заведующий лаборатории ФТИ им. А.Ф. Иоффе Сергей Слипченко.
Особенностью новых дизайнов гетероструктур стало то, что они имеют в своем составе тройную асимметрию и используют эффект квантового туннелирования носителей заряда. То есть слои гетероструктур, состоящие из разных составов, оптимизированы для того, чтобы энергетические потери были минимальными. Этого удалось добиться благодаря использованию волноводного слоя сложной формы, который позволяет обеспечить работу лазера на заданной конфигурации поля, что обеспечивает высокую пространственную яркость. Использование эффектов туннелирования позволяет электронам многократно участвовать в процессе излучения когерентных фотонов в одну лазерную моду, именно это и повышает излучательную эффективность и яркость.
Другой важной технологией, разработанной в рамках данной работы стало создание технологии селективной эпитаксии для мощных лазеров, заключающейся в выращивании гетероструктуры на специальным образом подготовленной подложке. Это позволяет гибко управлять свойствами гетероструктуры не только в направлении роста, но также в латеральном направлении.
Полученные решения позволили ученым получить КПД мощных полупроводниковых лазеров более 70%, что вдвое эффективнее, чем в случае с твердотельными и волоконными лазерами, а также создать линейки и матрицы, излучающие лазерные импульсы длительностью 100нс с пиковой мощностью более 1 кВт с поверхности в доли квадратных сантиметров.
«В мощных лазерах размер элемента и излучающей области должен быть крупнее, чтобы он мог эффективно преобразовывать в свет большое количество энергии. Для того, чтобы понять каким образом на таких больших объемах происходит рост селективной эпитаксии – мы провели исследования этого процесса и установили закономерности, которые позволяют управлять составами основных конструкционных элементов», - пояснил руководитель Центра физики наногетероструктур ФТИ им. А.Ф. Иоффе Никита Пихтин.
Следующим этапом работы станет повышение спектральной яркости. Ученые планируют применить указанные выше технологии, для управления этим параметром. Таким образом, для мощных полупроводниковых лазеров можно будет решить задачу спектрального суммирования и побороться с проблемой фильтрации от внешних помех.
Результаты исследований представлены в научном журнале Applied Surface Science.
Андрей Семенов
ФТИ им. А.Ф. Иоффе