Для развития беспилотных транспортных средств необходимо в том числе мощное лазерное излучение. Его эффективной генерации поможет новый дизайн полупроводниковых гетероструктур (слоев из различных материалов), который предложили сотрудники подведомственного Минобрнауки России Физико-технического института (ФТИ) имени А. Ф. Иоффе. Ученые также разработали новую технологию роста гетероструктур на подложках.
В последние годы стало востребовано создавать беспилотные транспортные средства. Однако работать они могут только при использовании лазерных ЛИДАРов — технологии измерения расстояний путем излучения лазера и замера времени возвращения этого отраженного света на приемник. Таким образом, ЛИДАРы выступают в роли «глаз» беспилотного транспортного средства.
Главная трудность заключается в правильной генерации такого излучения. Чтобы «рассмотреть» объект на расстоянии сотен метров в любых погодных условиях и обеспечить безопасное движение, необходимы источники излучения с большой мощностью и яркостью, но очень коротких — наносекундных — длительностей. Также они должны концентрироваться в небольших точках. Долгое воздействие такого излучения может быть опасно для зрения человека, тогда как при движении транспортного средства необходимо быстро сканировать окружающее пространство. В настоящее время для решения этой задачи применяются волоконные и твердотельные лазеры. Однако из-за того, что им требуется дополнительный этап «накачки» (процесс передачи энергии от внешнего источника на лазер), такой вид лазеров считают недостаточно эффективным.
«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 (выращенных на подложке структурах, состоящих из слоев различных материалов) и кристаллах мощных полупроводниковых лазеров. Исходя из этого, были сгенерированы новые дизайны полупроводниковых гетероструктур и конструкций лазерных кристаллов для последующей экспериментальной реализации», — сообщает заведующий лаборатории ФТИ имени А. Ф. Иоффе Сергей Слипченко.
Новые дизайны гетероструктур имеют в составе тройную асимметрию, а также носят эффект квантового туннелирования носителей заряда. То есть оптимизированные слои гетероструктур, состоящие из разных составов, делают энергетические потери минимальными. Этого удалось добиться благодаря использованию волноводного слоя сложной формы, который позволяет обеспечить работу лазера на заданной конфигурации поля, что обеспечивает высокую пространственную яркость. А использование эффектов туннелирования позволяет повысить эффективность и яркость лазера.
Кроме того, ученым удалось создать технологию селективной эпитаксии для мощных лазеров — эта технология позволяет гибко управлять свойствами гетероструктуры не только в направлении роста, но также в латеральном (боковом) направлении.
Полученные решения позволили исследователям получить КПД мощных полупроводниковых лазеров более 70%, что вдвое эффективнее, чем в случае с твердотельными и волоконными лазерами. Также у них получилось 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», — поясняет руководитель Центра физики наногетероструктур Никита Пихтин.
Следующим этапом станет повышение спектральной яркости лазеров. Ученые планируют применить указанные выше технологии для управления этим параметром. Таким образом, для мощных полупроводниковых лазеров получится побороть проблему фильтрации сигнала от внешних помех.
Исследование проведено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 19-79-30072), его результаты опубликованы в одном из международных изданий.