Az optoelektronikai technológia gyors fejlődésével a félvezető lézerek széles körben elterjedtek számos területen, például a telekommunikációban, az orvostudományban, az ipari feldolgozásban és a LiDAR-ban, nagy hatékonyságuknak, kompakt méretüknek és könnyű modulációjuknak köszönhetően. A technológia középpontjában az erősítőközeg áll, amely létfontosságú szerepet játszik. Ez szolgál a„energiaforrás„amely lehetővé teszi a stimulált emissziót és a lézergenerálást, meghatározva a lézert'teljesítménye, hullámhossza és alkalmazási lehetőségei.
1. Mi az a nyereségközeg?
Ahogy a neve is sugallja, az erősítőközeg egy olyan anyag, amely optikai erősítést biztosít. Külső energiaforrások (például elektromos befecskendezés vagy optikai pumpálás) gerjesztésekor a beeső fényt a stimulált emisszió mechanizmusán keresztül felerősíti, ami lézerkimenetet hoz létre.
A félvezető lézerekben az erősítőközeg jellemzően a PN-átmenet aktív régiójából áll, amelynek anyagösszetétele, szerkezete és adalékolási módszerei közvetlenül befolyásolják a kulcsfontosságú paramétereket, mint például a küszöbáram, az emissziós hullámhossz, a hatásfok és a termikus jellemzők.
2. Gyakori erősítésű anyagok a félvezető lézerekben
A III-V vegyület félvezetők a leggyakrabban használt erősítőanyagok. Tipikus példák:
①GaAs (gallium-arzenid)
850-es lézerekhez alkalmas–980 nm-es tartomány, széles körben használják optikai kommunikációban és lézernyomtatásban.
②InP (indium-foszfid)
Az 1,3 µm-es és 1,55 µm-es sávokban történő emisszióhoz használják, ami kulcsfontosságú a száloptikai kommunikációban.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Összetételük különböző hullámhosszak elérésére hangolható, ami a hangolható hullámhosszú lézertervek alapját képezi.
Ezek az anyagok jellemzően közvetlen tiltott sávú szerkezettel rendelkeznek, ami rendkívül hatékonyá teszi őket az elektron-lyuk rekombinációban fotonkibocsátással, ideálisan félvezető lézeres erősítő közegben való használatra.
3. Az erősítési struktúrák evolúciója
A gyártási technológiák fejlődésével a félvezető lézerek erősítési struktúrái a korai homoátmenetektől a heteroátmenetekig, majd a fejlett kvantumkút és kvantumpötty konfigurációkig fejlődtek.
①Heteroátmenetes erősítés közepes
A félvezető anyagok különböző tiltott sávokkal való kombinálásával a töltéshordozók és a fotonok hatékonyan korlátozhatók a kijelölt régiókban, növelve az erősítés hatékonyságát és csökkentve a küszöbárat.
②Kvantumkút-szerkezetek
Az aktív régió vastagságának nanométeres méretre csökkentésével az elektronok két dimenzióban maradnak, ami jelentősen növeli a sugárzási rekombinációs hatékonyságot. Ez alacsonyabb küszöbáramú és jobb hőstabilitással rendelkező lézereket eredményez.
③Kvantumpont-szerkezetek
Az önszerveződési technikák alkalmazásával nulla dimenziós nanostruktúrák jönnek létre, amelyek éles energiaszint-eloszlást biztosítanak. Ezek a struktúrák fokozott erősítési jellemzőket és hullámhossz-stabilitást kínálnak, így a következő generációs nagy teljesítményű félvezető lézerek kutatási gócpontjává válnak.
4. Mit határoz meg az erősítési közeg?
①Emissziós hullámhossz
Az anyag tiltott sávja határozza meg a lézert's hullámhossz. Például az InGaAs alkalmas közeli infravörös lézerekhez, míg az InGaN-t kék vagy lila lézerekhez használják.
②Hatékonyság és teljesítmény
A vivőmobilitás és a nem sugárzó rekombinációs ráták befolyásolják az optikai-elektromos konverzió hatékonyságát.
③Termikus teljesítmény
A különböző anyagok eltérő módon reagálnak a hőmérsékletváltozásokra, ami befolyásolja a lézer megbízhatóságát ipari és katonai környezetben.
④Modulációs válasz
Az erősítőközeg befolyásolja a lézert'a válaszadási sebesség, ami kritikus fontosságú a nagy sebességű kommunikációs alkalmazásokban.
5. Következtetés
A félvezető lézerek összetett szerkezetében az erősítőközeg valóban a „szíve”.—nemcsak a lézer előállításáért felelős, hanem annak élettartamát, stabilitását és alkalmazási lehetőségeit is befolyásolja. Az anyagválasztástól a szerkezeti tervezésig, a makroszkopikus teljesítménytől a mikroszkopikus mechanizmusokig, az erősítőközegben elért minden áttörés a lézertechnológiát a nagyobb teljesítmény, a szélesebb körű alkalmazások és a mélyebb feltárás felé viszi.
Az anyagtudomány és a nanotechnológia folyamatos fejlődésével a jövőbeli erősítő közegek várhatóan nagyobb fényerőt, szélesebb hullámhossz-lefedettséget és intelligensebb lézermegoldásokat kínálnak.—több lehetőséget nyitva meg a tudomány, az ipar és a társadalom számára.
Közzététel ideje: 2025. július 17.