Dzięki szybkiemu rozwojowi technologii optoelektronicznej, lasery półprzewodnikowe zyskały szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, takich jak telekomunikacja, medycyna, przetwórstwo przemysłowe i LiDAR, dzięki swojej wysokiej wydajności, kompaktowym rozmiarom i łatwości modulacji. Podstawą tej technologii jest ośrodek wzmocnienia, który odgrywa absolutnie kluczową rolę. Służy on jako…„źródło energii”który umożliwia emisję wymuszoną i generację lasera, określając laser'wydajność, długość fali i potencjał zastosowania.
1. Czym jest medium zysku?
Jak sama nazwa wskazuje, ośrodek wzmocnienia to materiał zapewniający wzmocnienie optyczne. Po wzbudzeniu zewnętrznymi źródłami energii (takimi jak wstrzykiwanie energii elektrycznej lub pompowanie optyczne), wzmacnia padające światło poprzez mechanizm emisji wymuszonej, co prowadzi do emisji lasera.
W laserach półprzewodnikowych ośrodek wzmocnienia zwykle składa się z obszaru aktywnego w złączu PN, którego skład materiałowy, struktura i metody domieszkowania bezpośrednio wpływają na kluczowe parametry, takie jak prąd progowy, długość fali emisji, wydajność i właściwości termiczne.
2. Typowe materiały wzmacniające w laserach półprzewodnikowych
Półprzewodniki złożone III-V są najczęściej stosowanymi materiałami wzmacniającymi. Typowe przykłady obejmują:
①GaAs (arsenek galu)
Nadaje się do laserów emitujących w zakresie 850–Zakres 980 nm, powszechnie stosowany w komunikacji optycznej i druku laserowym.
②InP (fosforan indu)
Stosowany do emisji w pasmach 1,3 µm i 1,55 µm, kluczowych dla komunikacji światłowodowej.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Ich skład można dostroić w celu uzyskania różnych długości fal, co stanowi podstawę konstrukcji laserów o regulowanej długości fali.
Materiały te charakteryzują się zazwyczaj strukturą o bezpośredniej przerwie energetycznej, co sprawia, że są niezwykle wydajne w rekombinacji elektron-dziura z emisją fotonów, co czyni je idealnymi do zastosowań w ośrodkach wzmocnienia laserów półprzewodnikowych.
3. Ewolucja struktur wzmocnienia
W miarę postępu technologii wytwarzania, struktury wzmocnienia w laserach półprzewodnikowych ewoluowały od wczesnych homozłączy do heterozłączy, a następnie do zaawansowanych konfiguracji studni kwantowych i kropek kwantowych.
①Ośrodek wzmocnienia heterozłącza
Łącząc materiały półprzewodnikowe o różnych przerwach pasmowych, nośniki i fotony można skutecznie ograniczyć do wyznaczonych obszarów, zwiększając wydajność wzmocnienia i zmniejszając prąd progowy.
②Struktury studni kwantowych
Zmniejszając grubość obszaru aktywnego do skali nanometrów, elektrony są uwięzione w dwóch wymiarach, co znacznie zwiększa wydajność rekombinacji radiacyjnej. Efektem są lasery o niższym prądzie progowym i lepszej stabilności termicznej.
③Struktury kropek kwantowych
Wykorzystując techniki samoorganizacji, powstają zero-wymiarowe nanostruktury, zapewniające ostre rozkłady poziomów energii. Struktury te oferują ulepszone charakterystyki wzmocnienia i stabilność długości fali, co czyni je ważnym obszarem badań nad wysokowydajnymi laserami półprzewodnikowymi nowej generacji.
4. Co określa medium zysku?
①Długość fali emisji
Przerwa pasmowa materiału określa laser's. Na przykład InGaAs nadaje się do laserów bliskiej podczerwieni, podczas gdy InGaN jest używany do laserów niebieskich lub fioletowych.
②Wydajność i moc
Ruchliwość nośników i szybkość rekombinacji bezpromienistej wpływają na wydajność konwersji optycznej na elektryczną.
③Wydajność termiczna
Różne materiały reagują na zmiany temperatury w odmienny sposób, co wpływa na niezawodność lasera w środowiskach przemysłowych i wojskowych.
④Odpowiedź modulacyjna
Ośrodek wzmocnienia wpływa na laser'szybkość reakcji, która jest kluczowa w zastosowaniach wymagających szybkiej komunikacji.
5. Wnioski
W złożonej strukturze laserów półprzewodnikowych ośrodek wzmocnienia jest ich prawdziwym „sercem”—Odpowiada nie tylko za generowanie lasera, ale także wpływa na jego żywotność, stabilność i scenariusze zastosowań. Od doboru materiałów po projektowanie konstrukcji, od wydajności makroskopowej po mechanizmy mikroskopowe – każdy przełom w ośrodku wzmocnienia napędza technologię laserową w kierunku większej wydajności, szerszych zastosowań i głębszych badań.
Dzięki stałemu postępowi w nauce o materiałach i technologii nanoprodukcji, oczekuje się, że przyszłe ośrodki wzmocnienia zapewnią większą jasność, szerszy zakres długości fal i inteligentniejsze rozwiązania laserowe—otwierając nowe możliwości dla nauki, przemysłu i społeczeństwa.
Czas publikacji: 17 lipca 2025 r.