Brzim napretkom optoelektroničke tehnologije, poluvodički laseri postali su široko korišteni u raznim područjima kao što su telekomunikacije, medicina, industrijska obrada i LiDAR, zahvaljujući svojoj visokoj učinkovitosti, kompaktnoj veličini i jednostavnosti modulacije. U srži ove tehnologije leži medij za pojačanje, koji igra apsolutno vitalnu ulogu. Služi kao"izvor energije"što omogućuje stimuliranu emisiju i generiranje lasera, određujući laser'performanse, valna duljina i potencijal primjene.
1. Što je medij za povećanje dobitka?
Kao što i samo ime govori, medij za pojačanje je materijal koji omogućuje optičko pojačanje. Kada je pobuđen vanjskim izvorima energije (kao što je električno ubrizgavanje ili optičko pumpanje), pojačava upadnu svjetlost mehanizmom stimulirane emisije, što dovodi do laserskog izlaza.
U poluvodičkim laserima, medij za pojačanje obično se sastoji od aktivnog područja na PN spoju, čiji sastav materijala, struktura i metode dopiranja izravno utječu na ključne parametre poput praga struje, valne duljine emisije, učinkovitosti i toplinskih karakteristika.
2. Uobičajeni materijali za pojačanje u poluvodičkim laserima
III-V spojevi poluvodiča su najčešće korišteni materijali za pojačanje. Tipični primjeri uključuju:
1GaAs (galijev arsenid)
Pogodno za lasere koji emitiraju u 850–Raspon od 980 nm, široko se koristi u optičkim komunikacijama i laserskom ispisu.
2InP (indijev fosfid)
Koristi se za emisiju u pojasevima od 1,3 µm i 1,55 µm, ključnim za komunikaciju optičkim vlaknima.
3InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Njihovi sastavi mogu se podesiti kako bi se postigle različite valne duljine, što čini osnovu za dizajn lasera s podesivim valnim duljinama.
Ovi materijali obično imaju izravne strukture zabranjene zone, što ih čini vrlo učinkovitima u rekombinaciji elektrona i rupa s emisijom fotona, idealnim za upotrebu u mediju za pojačanje poluvodičkih lasera.
3. Evolucija struktura pojačanja
Kako su se tehnologije izrade razvijale, strukture pojačanja u poluvodičkim laserima evoluirale su od ranih homospojeva do heterospojeva, te dalje do naprednih konfiguracija kvantnih jama i kvantnih točaka.
1Heterospojni medij za pojačanje
Kombiniranjem poluvodičkih materijala s različitim energetskim procjepom, nosioci naboja i fotoni mogu se učinkovito ograničiti u određenim područjima, povećavajući učinkovitost pojačanja i smanjujući prag struje.
2Strukture kvantnih jama
Smanjenjem debljine aktivnog područja na nanometarsku skalu, elektroni su ograničeni u dvije dimenzije, što značajno povećava učinkovitost radijacijske rekombinacije. To rezultira laserima s nižim pragovima struja i boljom toplinskom stabilnošću.
3Strukture kvantnih točaka
Korištenjem tehnika samosastavljanja formiraju se nultimenzionalne nanostrukture koje pružaju oštre raspodjele energetskih razina. Ove strukture nude poboljšane karakteristike pojačanja i stabilnost valne duljine, što ih čini istraživačkom žarišnom točkom za visokoučinkovite poluvodičke lasere sljedeće generacije.
4. Što određuje medij pojačanja?
1Valna duljina emisije
Zabranjena zona materijala određuje laser's valne duljine. Na primjer, InGaAs je prikladan za lasere bliskog infracrvenog zračenja, dok se InGaN koristi za plave ili ljubičaste lasere.
2Učinkovitost i snaga
Pokretljivost nositelja naboja i brzine neradijativne rekombinacije utječu na učinkovitost optičke u električnu pretvorbu.
3Toplinske performanse
Različiti materijali reagiraju na promjene temperature na različite načine, što utječe na pouzdanost lasera u industrijskim i vojnim okruženjima.
4Modulacijski odziv
Medij pojačanja utječe na laser'brzina odziva, što je ključno u aplikacijama za brzu komunikaciju.
5. Zaključak
U složenoj strukturi poluvodičkih lasera, pojačavajući medij je uistinu njihovo "srce".—ne samo da je odgovoran za generiranje lasera, već i za utjecaj na njegov vijek trajanja, stabilnost i scenarije primjene. Od odabira materijala do strukturnog dizajna, od makroskopskih performansi do mikroskopskih mehanizama, svaki napredak u mediju za pojačanje usmjerava lasersku tehnologiju prema većim performansama, široj primjeni i dubljem istraživanju.
S kontinuiranim napretkom u znanosti o materijalima i tehnologiji nanofabrikacije, očekuje se da će budući mediji za pojačanje donijeti veću svjetlinu, širi pokrivač valnih duljina i pametnija laserska rješenja.—otključavanje više mogućnosti za znanost, industriju i društvo.
Vrijeme objave: 17. srpnja 2025.