Vďaka rýchlemu pokroku optoelektronickej technológie sa polovodičové lasery vďaka svojej vysokej účinnosti, kompaktným rozmerom a jednoduchej modulácii široko používajú v rôznych oblastiach, ako sú telekomunikácie, medicína, priemyselné spracovanie a LiDAR. Jadrom tejto technológie je zosilňovacie médium, ktoré zohráva absolútne dôležitú úlohu. Slúži ako„zdroj energie„ktorý umožňuje stimulovanú emisiu a generovanie laseru, určujúc laser'výkon, vlnová dĺžka a aplikačný potenciál.
1. Čo je to ziskové médium?
Ako už názov napovedá, zosilňovacie médium je materiál, ktorý zabezpečuje optické zosilnenie. Keď je excitované externými zdrojmi energie (ako je elektrická injekcia alebo optické čerpanie), zosilňuje dopadajúce svetlo mechanizmom stimulovanej emisie, čo vedie k laserovému výstupu.
V polovodičových laseroch je zosilňovacie médium typicky zložené z aktívnej oblasti na PN prechode, ktorej materiálové zloženie, štruktúra a metódy dopovania priamo ovplyvňujú kľúčové parametre, ako je prahový prúd, emisná vlnová dĺžka, účinnosť a tepelné charakteristiky.
2. Bežné materiály na zosilnenie v polovodičových laseroch
Najbežnejšie používanými zosilňovacími materiálmi sú polovodiče III-V. Medzi typické príklady patria:
①GaAs (arzenid gália)
Vhodné pre lasery vyžarujúce v 850–Rozsah 980 nm, široko používaný v optickej komunikácii a laserovej tlači.
2InP (fosfid india)
Používa sa na emisiu v pásmach 1,3 µm a 1,55 µm, ktoré sú kľúčové pre komunikáciu cez optické vlákna.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Ich zloženie je možné ladiť tak, aby sa dosiahli rôzne vlnové dĺžky, čo tvorí základ pre návrhy laserov s laditeľnou vlnovou dĺžkou.
Tieto materiály sa typicky vyznačujú priamymi štruktúrami s pásmovou medzerou, vďaka čomu sú vysoko účinné pri rekombinácii elektrónov a dier s emisiou fotónov, čo je ideálne na použitie v polovodičových laserových zosilňovacích médiách.
3. Vývoj štruktúr zisku
S pokrokom výrobných technológií sa štruktúry zosilnenia v polovodičových laseroch vyvinuli od skorých homojunkcií cez heterojunkcie až po pokročilé konfigurácie kvantových jám a kvantových bodov.
①Heterojunkčné zosilnenie stredné
Kombináciou polovodičových materiálov s rôznymi medzerami pásiem je možné nosiče náboja a fotóny efektívne obmedziť v určených oblastiach, čím sa zvýši účinnosť zosilnenia a zníži prahový prúd.
2Štruktúry kvantových jam
Zmenšením hrúbky aktívnej oblasti na nanometrovú mierku sú elektróny obmedzené v dvoch rozmeroch, čo výrazne zvyšuje účinnosť radiačnej rekombinácie. Výsledkom sú lasery s nižšími prahovými prúdmi a lepšou tepelnou stabilitou.
③Štruktúry kvantových bodiek
Pomocou techník samoskladania sa vytvárajú nulové rozmerové nanostruktúry, ktoré poskytujú ostré rozloženie energetických hladín. Tieto štruktúry ponúkajú vylepšené charakteristiky zosilnenia a stabilitu vlnovej dĺžky, čo z nich robí výskumné centrum pre vysokovýkonné polovodičové lasery novej generácie.
4. Čo určuje stredné zosilnenie?
①Vlnová dĺžka emisie
Zakázané pásmo materiálu určuje laser'vlnová dĺžka s. Napríklad InGaAs je vhodný pre lasery blízkeho infračerveného žiarenia, zatiaľ čo InGaN sa používa pre modré alebo fialové lasery.
2Účinnosť a výkon
Mobilita nosičov náboja a rýchlosti neradiačnej rekombinácie ovplyvňujú účinnosť opticko-elektrickej konverzie.
③Tepelný výkon
Rôzne materiály reagujú na zmeny teploty rôznymi spôsobmi, čo ovplyvňuje spoľahlivosť laseru v priemyselnom a vojenskom prostredí.
4Modulačná odozva
Ziskové médium ovplyvňuje laser'rýchlosť odozvy, ktorá je kritická vo vysokorýchlostných komunikačných aplikáciách.
5. Záver
V komplexnej štruktúre polovodičových laserov je zosilňovacie médium skutočne jej „srdcom“.—nielenže je zodpovedný za generovanie laseru, ale aj za ovplyvňovanie jeho životnosti, stability a aplikačných scenárov. Od výberu materiálu až po konštrukčný návrh, od makroskopického výkonu až po mikroskopické mechanizmy, každý prielom v oblasti zosilňovacieho média posúva laserovú technológiu smerom k vyššiemu výkonu, širším aplikáciám a hlbšiemu prieskumu.
S neustálym pokrokom v materiálovej vede a technológii nanovýroby sa očakáva, že budúce zosilňovacie médiá prinesú vyšší jas, širšie pokrytie vlnových dĺžok a inteligentnejšie laserové riešenia.—odomknutie ďalších možností pre vedu, priemysel a spoločnosť.
Čas uverejnenia: 17. júla 2025