Tampereen yliopistossa toimiva DI Antti Aho selvittää uudessa väitöskirjassaan kehittyneitä puolijohdelasereita silmäturvallisiin robottiautojen valotutkiin sekä kelta–oranssien aallonpituuksien tuottamista ja mittaamista. Mukana on myös linkki pian tarkastettavaan väitöskirjatyöhön.
Kirkkaille, aallonpituuslukituille puolijohdelasereille on kysyntää esimerkiksi itseajavien autojen lidar-valotutkissa ja lääketieteen sovelluksissa, joissa tarvitaan kelta–oranssia valoa.
Selvityksen mukaan uudenlaisten valotutkien suorituskykyä voidaan parantaa siirtymällä käyttämään suuren silmäturvallisen tehon mahdollistavaa aallonpituusaluetta. Lisäksi puolijohdemateriaalien ominaisuuksien rajaamia kelta–oransseja aallonpituuksia voidaan tuottaa tehokkaasti taajuuskahdennuksen avulla.
Tampereen yliopistolla DI Antti Aho väittelee lauantaina 4.12.2021 tutkimuksistaan, kuinka nämä ominaisuudet voidaan saavuttaa käyttäen saumattomasti laserdiodiin yhdistettyä pintahilaa ja levenevää aaltojohdeosiota. Tutkimusasetelma valittiin kahden potentiaalisen sovelluskohteen, lidar-valotutkan ja taajuuskahdennuksen, mukaan.
Nykyiset Lidar-järjestelmät toimivat useinmiten hieman näkyvää valoa pidemmällä aallonpituusalueella 900 nanometrin ympäristössä, jonka etuna on komponenttien edullinen saatavuus, mutta haittapuolena on valotehon alhainen silmäturvallisuusraja.
Sen sijaan käytettäessä aallonpituusaluetta 1500 nm voidaan käyttää suurempia tehoja ihmissilmän ominaisuuksista johtuen. Turvallisuusstandardin mukaan teho voi olla yli miljoonakertainen.
’’Suurempi optinen teho parantaa valotutkan suorituskykyä. Kapea ja lukittu aallonpituus parantaa suorituskykyä edelleen, kun suurin osa auringon taustasäteilystä voidaan suodattaa pois ja parantaa näin signaali-kohinasuhdetta’’, Aho kertoo.
Taajuuskahdennus vaatii kapeaa spektriä ja hyvää säteenlaatua. Laservaloa onkin vaikeaa tuottaa tietyillä aallonpituusalueilla puolijohteita käyttäen, mikä johtuu puolijohdemateriaalien rajoituksista. Yksi tällainen hankala aallonpituusalue on kelta–oranssi valo. ’’ Sovelluskohteita laservalolle löytyy esimerkiksi dermatologiassa, DNA-sekvensoinnissa ja spektroskopiassa’’, Aho esittelee.
Materiaalien rajoitteita voidaan puolestaan kiertää käyttämällä taajuuskahdennusmenetelmää. Siinä epälineaarista materiaalia käyttäen voidaan tuottaa valoa, jonka aallonpituus on puolet alkuperäisen valon aallonpituudesta. Tällöin 1180 nanometrin valosta, jota voidaan tuottaa tehokkaasti puolijohdelaserilla, saadaan keltaisen ja oranssin rajalla olevaa 590 nanometrin valoa. Korkean hyötysuhteen taajuuskahdennus vaatii laserilta suurta tehoa, kapeaa ja vakaata spektriä sekä hyvää säteenlaatua.
Väitöskirjatutkimuksessa spektrin kaventamiseksi ja lukitsemiseksi käytetään laserdiodin kanssa samalle puolijohdesirulle yhdistettyä pintahilaa. Tapauksissa, joissa sovellus vaatii säteeltä hyvää laatua ja suurta tehoa, käytetään levenevää aaltojohdeosiota, joka on myös yhdistetty saumattomasti samalle sirulle.
Tutkimus on suoritettu osana tutkimusryhmää Tampereen Optoelektroniikan tutkimuskeskuksella ORC:lla. Laserdioditutkimus vaatii monen alan erikoisosaamista ja työpanosta: sähköistä ja optista mallinnusta, materiaalien suunnittelua ja valmistusta, puolijohteiden prosessointia, komponenttien paketointia ja mittaamista.
’’Oman työni pääpaino oli valmistettujen diodien mittaamisessa. Kehittyneiden lasersirujen mittaamiseen oli kehitettävä uudenlaisia mittausjärjestelmiä, jotka mahdollistavat esimerkiksi useiden sähköisten osioiden kytkennän samanaikaisesti’’, Aho kertoo.
Lisää: DI Antti Ahon väitöskirja ’’Monolithically Integrated Wavelength Locked and High-Brightness Laser Diodes’’ luettavissa pdf:nä (LINKKI).
Kuva: DI Antti Aho tutkimuslaitteiston keskellä. Kuvaaja Heidi Tuorila / Tampereen yliopisto.