Полупроводниковые диодные лазеры прочно заняли место источников мощного оптического излучения. Высокое значение выходной оптической мощности, рекордный КПД, высокий срок службы делают полупроводниковые лазеры ключевым элементом систем накачки твердотельных и волоконных лазеров, прямой обработки металлов, передачи информации в открытом пространстве и лидарных системах. Однако, несмотря на все преимущества данный вид лазеров обладает рядом недостатков, ограничивающих их применение. Одним из таких недостатков является низкое пространственное качество лазерного луча, что даже при достижении рекордных значений оптической мощности существенно снижает яркость полупроводниковых лазеров с торцевым выводом излучения. Низкая оптическая яркость, многомодовый режим генерации, существенное различие углов расходимости по перпендикулярным осям (Θ=10х40 град) и астигматизм критическим образом сказывается на возможности прямого использования полупроводниковых лазеров без дополнительной дорогостоящей микрооптики.
Решением данной проблемы является вывод лазерного излучения с поверхности лазерного чипа, что позволяет увеличить размеры апертуры излучения и добиться её симметричности. Апертура излучения с размерами вдоль обеих осей в 100мкм и более позволит получить симметричное относительно вертикальной оси распределение интенсивности излучения в дальней зоне при минимальном угле расходимости. При этом распространение электромагнитного излучения в чипе сохраняет продольное со слоями гетероструктуры (в том числе с активным слоем, обладающим оптическим усилением) направление, что позволяет увеличить объем резонатора и достичь высокой выходной оптической мощности по сравнению с VCSEL.
Формирование резонаторных свойств и условий вывода с поверхности чипа лазерного излучения будет осуществляться 2D фотонным кристаллом, выполненным в инжекционной волноводной p-n гетероструктуре. Современные технологические процессы литографии и реактивного ионного травления позволяют сформировать 2D сетку отверстий на поверхности гетероструктуры. Симметрия 2D сетки, геометрическая форма и глубина отверстий, дизайн гетероструктуры будут определять модовый состав резонатора лазера, который определяет спектральные и пространственные характеристики лазерного излучения.
Целью данной работы является разработка фундаментальных принципов конструирования резонаторов в инжекционных волноводных гетероструктурах на основе 2D фотонных кристаллов для генерации и вывода через поверхность чипа одномодового спектрально стабильного мощного лазерного излучения с минимальной угловой расходимостью.
Современные теоретические подходы на основе теории связанных мод и численных компьютерных расчетов методом конечных элементов позволяют определить излучательные характеристики резонатора полупроводникового лазера на основе 2D фотонного кристалла. В рамках данной работы будут проведены теоретические исследования влияния параметров 2D фотонного кристалла на пороговые условия генерации, модовый состав резонатора, пространственные и спектральные характеристики лазерного излучения. Расчеты будут проводится как с помощью аналитических моделей, так и с помощью численного моделирования в системе Comsol Multiphysics в модулях волновой оптики и полупроводники. В данной работе расчеты будут проводится для лазеров, сформированных на основе гетероструктур GaAs/AlGaAS/InGaAs, излучающих в диапазоне 900-1100нм, зарекомендовавших себя как наиболее энергоэффективных источников излучения. При этом полученные фундаментальные закономерности в последствии возможно будет перенести на полупроводниковые лазеры других диапазон длин волн. Главным направлением исследований будет именно аналитический анализ, позволяющий не только получить излучательные характеристики конкретной реализации 2D фотонного кристалла, но и сформулировать фундаментальные зависимости, позволяющие определять необходимые параметры в соответствии с требованиями, выдвигаемыми промышленными задачами.
