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MiraSäe：基于GAAS的远场630 nm ...
半导体设备在电子行业中起着至关重要的作用。这些设备包括从领先的硅技术到复合半导体方法的各种类型。尤其是IIII-V复合半导体激光器在几十年中变得越来越重要，在各种领域（例如微电子，光电子学和光学电信）中找到了应用。半导体的多功能性允许对其属性进行自定义修改，以满足特定应用程序的需求。在设计光学元件时，半导体激光器的远场是至关重要的参数，因为许多半导体激光应用需要与单模光纤建立足够的连接。使用单模激光器设备，可以将更多功率传递到光纤。此外，从光学的角度来看，单模式激光器更好，因为光线更容易对齐。因此，使用单模半导体激光比构建复杂的光学系统要容易得多。在本文中，基于GAAS的630 nm区域半导体激光器的远场是与Modulight Corporation合作的优化。目标是了解制造步骤和选定的设备几何形状如何影响这些激光器的远场模式，从而改善对设备过程和过程产量的控制。远场高度依赖于激光设备的尺寸，因此，将两种不同的底物（638 nm和633 nm）与不同的尺寸一起使用以进行比较。除了远场外，还分析了光电压和光谱测量值。此外，为了更好地了解脊指导的光学特性和几何形状之间的依赖性，使用扫描电子显微镜测量了脊的尺寸。本论文中使用的激光条是通过光刻的步骤和等离子体蚀刻来捏造的。否则两个底物的处理都是相同的，但是633 nm底物的蚀刻时间更长，从而产生了更深的蚀刻深度。两个设备都使用了五个不同的脊宽度和三个不同的空腔长度。将实现的脊尺寸和调间模式行为与630 nm区域半导体激光结构的这些参数的建模结果进行了比较。脊的尺寸的表征结果显示了两个过程的各向异性和平滑档案。633 nm设备的蚀刻时间较长，导致脊比638 nm设备深507 nm，这是预期的。与638 nm设备相比，具有更深山脊的633 nm设备具有更深的山脊的阈值电流和输出功率变化较小。这项工作的目的是实现具有单模空间操作的激光器，该激光器是用633 nm激光器获得的。最佳尺寸为1000 µm的腔长为1.8 µm和3.4 µm的脊宽度，腔长为1500 µm，脊宽为2.2 µm。对于较浅的山脊深度，即638 nm激光器，所有选定的脊宽度和长度均显示多模具操作。此外，模拟结果很好地支持了实验结果。
激光技术在量子信息科学中的应用
实验物理学的科学进步不可避免地依赖于基础技术的不断进步。激光技术可以实现受控的相干和耗散原子光相互作用，而微光学技术则可以实现标准光学无法实现的多功能光学系统。本论文报告了这两项技术的重要进展，目标应用范围从里德堡态介导的量子模拟和光镊阵列中单个原子的计算到高电荷离子的高分辨率光谱。报告了激光技术的广泛进展：通过引入机械可调透镜支架，外腔二极管激光系统的长期稳定性和可维护性得到显著改善。开发了基于类似透镜支架的锥形放大器模块。二极管激光系统由数字控制器补充，用于稳定激光频率和强度。控制器提供高达 1.25 MHz 的带宽和由商业 STEMlab 平台设定的噪声性能。此外，还开发了针对强度稳定和 Pound-Drever-Hall 频率稳定进行优化的散粒噪声受限光电探测器以及用于 MHz 范围拍音的光纤探测器。通过分析用于波长为 780 nm 的 85 Rb 激光冷却的激光系统的性能，证明了所提出技术的能力。参考激光系统稳定到由调制传输光谱提供的光谱参考。分析该光谱方案以发现高调制指数下的最佳操作。使用紧凑且经济高效的模块产生合适的信号。实现了一种基于光学锁相环的激光偏移频率稳定方案。来自参考激光系统的所有频率锁定均提供 60 kHz（FWHM）的 Lorentzian 线宽以及 10 天内 130 kHz 峰峰值的长期稳定性。基于声光调制器与数字控制器相结合的强度稳定允许在微秒时间尺度上进行实时强度控制，并辅以响应时间为 150 纳秒的采样保持功能。对激光系统的光谱特性提出了很高的要求，以实现量子态的相干激发。在本论文中，通过引入一种用于二极管激光器的新型电流调制技术来增强主动频率稳定的性能。实现了从 DC 到 100 MHz 的平坦响应和低于 90 ◦ 的相位滞后，最高可达 25 MHz，从而扩展了可用于激光频率稳定的带宽。将该技术与快速比例微分控制器相结合，实现了两个激光场，相对相位噪声为 42 mrad rms，用于驱动铷基态跃迁。通过双光子方案进行相干里德堡激发的激光系统通过从 960 nm 倍频提供 780 nm 和 480 nm 的光。从单模光纤获得的 480 nm 输出功率为 0.6 W。两个激光系统的频率都稳定在高精细度参考腔中，导致 960 nm 处的线宽为 1.02 kHz（FWHM）。数值模拟量化了有限线宽对里德堡拉比振荡相干性的影响。开发了一种类似于 480 nm 里德堡系统的激光系统，用于高电荷铋的光谱分析。先进的光学技术也是微光学镊子阵列的核心，它提供了前所未有的系统尺寸可扩展性。通过使用优化的透镜系统与自动评估程序相结合，演示了具有数千个点且阱腰小于 1 µm 的镊子阵列。使用增材制造工艺生产的微透镜阵列实现了类似的性能。微透镜设计针对制造工艺进行了优化。此外，还分析了由于抑制谐振光导致的偶极阱散射率，证明了使用锥形放大器系统生成偶极阱的可行性。