Japonští vědci odhalili klíč k rekordní účinnosti modrých laserů: Nová strategie řízení rezonance posílí displeje i komunikaci

Vertikální lasery s povrchovým vyzařováním na bázi nitridu gallia (GaN-VCSEL) jsou považovány za slibné zdroje světla pro budoucí technologie, jako jsou displeje nové generace, biometrické senzory, monitorování životního prostředí a optická komunikace na krátké vzdálenosti.

Vertikální lasery s povrchovým vyzařováním na bázi nitridu gallia (GaN-VCSEL) jsou považovány za slibné zdroje světla pro budoucí technologie, jako jsou displeje nové generace, biometrické senzory, monitorování životního prostředí a optická komunikace na krátké vzdálenosti. Zlepšení jejich celkové účinnosti však dosud představovalo významnou výzvu, neboť výkon laseru silně závisí na precizním optickém designu a řízení rezonanční dutiny.

Výzkumný tým z japonské Meijo University, vedený profesory Tetsuyou Takeuchim, Satoshim Kamiyamou a Motoakim Iwayou, spolu s prvním autorem Naokim Shibaharou, se zaměřil na vliv „řízení rezonanční dutiny“ (cavity tuning) na charakteristiky GaN-VCSEL laserů. Zatímco konvenční studie se soustředily převážně na ladění zisku (gain tuning), vědci prokázali, že sladění rezonanční vlnové délky s centrální vlnovou délkou distribuovaného Braggova reflektoru zásadně ovlivňuje činnost laseru.

Výzkumníci studovali GaN-VCSEL destičky obsahující distribuované Braggovy reflektory AlInN/GaN, které mají relativně úzké optické pásmo. Díky tomuto úzkému rozsahu mohou i malé posuny v rezonanční vlnové délce výrazně změnit ztráty na zrcadle a ovlivnit účinnost laseru. Tým zkoumal plošné variace napříč destičkou a pozoroval, jak řízení rezonanční dutiny systematicky mění hodnoty ztrát na zrcadle v rozsahu 25 až 50 cm⁻¹. Tyto změny pak korelovali s důležitými charakteristikami laseru, včetně diferenciální vnější kvantové účinnosti, prahové proudové hustoty a celkové účinnosti přeměny elektrické energie na světlo.

Jejich měření ukázala, že řízení rezonanční dutiny poskytuje cenný vhled do vnitřní fyziky zařízení, který samotná analýza ladění zisku nemohla vysvětlit. Analýzou závislosti na ztrátách na zrcadle tým extrahoval klíčové vnitřní parametry, včetně účinnosti injekce přibližně 85 % a vnitřních ztrát blízko 11 cm⁻¹. Důležité je, že identifikovali optimální oblast ztrát na zrcadle kolem 35–40 cm⁻¹, kde bylo možné dosáhnout celkové účinnosti přesahující 25 %. Nejlépe fungující zařízení prokázalo celkovou účinnost 26,4 %, což překonalo dříve hlášené výsledky skupiny a patřilo k nejvyšším úrovním celosvětově v době publikace.

Tyto poznatky by mohly urychlit vývoj praktických vysoce účinných zdrojů viditelného světla. Vzhledem k tomu, že GaN-VCSEL lasery jsou považovány za slibné pro kompaktní fotonické systémy, zlepšené pochopení řízení rezonanční dutiny může podpořit spolehlivější strategie návrhu pro komerční zařízení vyžadující vysoký optický výkon a energetickou účinnost. První autor studie, Naoki Shibahara, již pracuje na dvourozměrné integraci VCSEL pro vysokovýkonný provoz, se zaměřením na interakce zařízení, tepelné a optické efekty a vysoce účinný design polí laserů.