Odată cu avansarea rapidă a tehnologiei optoelectronice, laserele semiconductoare au devenit utilizate pe scară largă în diverse domenii, cum ar fi telecomunicațiile, medicina, procesarea industrială și LiDAR, datorită eficienței lor ridicate, dimensiunilor compacte și ușurinței de modulare. În centrul acestei tehnologii se află mediul de amplificare, care joacă un rol absolut vital. Acesta servește ca...„sursă de energie„care permite emisia stimulată și generarea de laser, determinând laserul„Performanța, lungimea de undă și potențialul de aplicare.
1. Ce este un mediu de amplificare?
Așa cum sugerează și numele, un mediu de amplificare este un material care oferă amplificare optică. Atunci când este excitat de surse externe de energie (cum ar fi injecția electrică sau pomparea optică), acesta amplifică lumina incidentă prin mecanismul emisiei stimulate, ducând la o ieșire laser.
În laserele semiconductoare, mediul de amplificare este de obicei compus din regiunea activă de la joncțiunea PN, a cărei compoziție materială, structură și metode de dopare au un impact direct asupra parametrilor cheie, cum ar fi curentul de prag, lungimea de undă de emisie, eficiența și caracteristicile termice.
2. Materiale cu amplificare comune în laserele semiconductoare
Semiconductorii compuși III-V sunt cele mai frecvent utilizate materiale de amplificare. Exemple tipice includ:
1.GaAs (arseniură de galiu)
Potrivit pentru lasere care emit în raza de acțiune de 850–Gama de 980 nm, utilizată pe scară largă în comunicațiile optice și imprimarea laser.
2.InP (fosfură de indiu)
Folosit pentru emisie în benzile de 1,3 µm și 1,55 µm, crucial pentru comunicațiile prin fibră optică.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Compozițiile lor pot fi reglate pentru a obține diferite lungimi de undă, formând baza pentru proiectele de lasere cu lungimi de undă reglabile.
Aceste materiale prezintă de obicei structuri cu bandă interzisă directă, ceea ce le face extrem de eficiente la recombinarea electron-gol cu emisie de fotoni, ideale pentru utilizarea în medii de amplificare laser semiconductoare.
3. Evoluția structurilor de câștig
Pe măsură ce tehnologiile de fabricație au progresat, structurile de amplificare din laserele semiconductoare au evoluat de la homojoncțiuni timpurii la heterojoncțiuni și, mai departe, la configurații avansate de puțuri cuantice și puncte cuantice.
1.Mediu de câștig heterojoncțiune
Prin combinarea materialelor semiconductoare cu diferite benzi de bandă interzise, purtătorii de sarcină și fotonii pot fi efectiv limitați în regiuni desemnate, sporind eficiența câștigului și reducând curentul de prag.
2.Structuri cuantice de puțuri
Prin reducerea grosimii regiunii active la scară nanometrică, electronii sunt limitați în două dimensiuni, crescând semnificativ eficiența recombinării radiative. Acest lucru are ca rezultat lasere cu curenți de prag mai mici și o stabilitate termică mai bună.
③Structuri de puncte cuantice
Folosind tehnici de autoasamblare, se formează nanostructuri zero-dimensionale, oferind distribuții precise ale nivelului de energie. Aceste structuri oferă caracteristici de câștig îmbunătățite și stabilitate a lungimii de undă, ceea ce le face un punct fierbinte de cercetare pentru laserele semiconductoare de înaltă performanță de generație următoare.
4. Ce determină mediul de amplificare?
1.Lungimea de undă a emisiei
Banda interzisă a materialului determină laserul„lungimea de undă. De exemplu, InGaAs este potrivit pentru laserele în infraroșu apropiat, în timp ce InGaN este utilizat pentru laserele albastre sau violete.
2.Eficiență și putere
Mobilitatea purtătorilor și ratele de recombinare neradiative afectează eficiența conversiei optic-electrice.
③Performanță termică
Diferite materiale reacționează la schimbările de temperatură în moduri variate, influențând fiabilitatea laserului în mediile industriale și militare.
④Răspuns de modulație
Mediul de amplificare influențează laserul„viteza de răspuns, care este esențială în aplicațiile de comunicații de mare viteză.
5. Concluzie
În structura complexă a laserelor semiconductoare, mediul de amplificare este cu adevărat „inima” lor.—nu este responsabil doar pentru generarea laserului, ci și pentru influențarea duratei sale de viață, a stabilității și a scenariilor de aplicare. De la selecția materialelor la designul structural, de la performanța macroscopică la mecanismele microscopice, fiecare progres în mediul de amplificare împinge tehnologia laser către performanțe mai mari, aplicații mai largi și explorări mai aprofundate.
Odată cu progresele continue în știința materialelor și tehnologia de nanofabricare, se așteaptă ca mediile cu amplificare viitoare să aducă o luminozitate mai mare, o acoperire mai largă a lungimilor de undă și soluții laser mai inteligente.—deblocând mai multe posibilități pentru știință, industrie și societate.
Data publicării: 17 iulie 2025