Z naglim napredkom optoelektronske tehnologije so se polprevodniški laserji zaradi visoke učinkovitosti, kompaktne velikosti in enostavne modulacije pogosto uporabljali na različnih področjih, kot so telekomunikacije, medicina, industrijska obdelava in LiDAR. V središču te tehnologije je ojačevalni medij, ki igra izjemno pomembno vlogo. Služi kot"vir energije"ki omogoča stimulirano emisijo in generiranje laserja, pri čemer določa laser'zmogljivost, valovna dolžina in potencial uporabe.
1. Kaj je medij za pridobivanje?
Kot že ime pove, je ojačevalni medij material, ki zagotavlja optično ojačanje. Ko ga vzbujajo zunanji viri energije (kot je električno vbrizgavanje ali optično črpanje), ojača vpadno svetlobo z mehanizmom stimulirane emisije, kar vodi do laserskega izhoda.
V polprevodniških laserjih je ojačevalni medij običajno sestavljen iz aktivnega območja na PN-stičišču, katerega sestava materiala, struktura in metode dopiranja neposredno vplivajo na ključne parametre, kot so prag toka, valovna dolžina emisije, učinkovitost in toplotne lastnosti.
2. Pogosti materiali za ojačanje v polprevodniških laserjih
Polprevodniki III-V so najpogosteje uporabljeni ojačevalni materiali. Tipični primeri vključujejo:
①GaAs (galijev arzenid)
Primerno za laserje, ki oddajajo v 850–Območje 980 nm, ki se pogosto uporablja v optičnih komunikacijah in laserskem tiskanju.
2InP (indijev fosfid)
Uporablja se za emisije v pasovih 1,3 µm in 1,55 µm, kar je ključnega pomena za komunikacijo z optičnimi vlakni.
3InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Njihove sestave je mogoče uglasiti za doseganje različnih valovnih dolžin, kar je osnova za zasnove laserjev z nastavljivo valovno dolžino.
Ti materiali imajo običajno neposredne strukture z vrzeljo v pasu, zaradi česar so zelo učinkoviti pri rekombinaciji elektronov in lukenj z emisijo fotonov, idealni za uporabo v polprevodniških laserskih medijih.
3. Razvoj struktur dobička
Z napredkom tehnologij izdelave so se strukture ojačanja v polprevodniških laserjih razvile od zgodnjih homo-spojev do hetero-spojev in nadalje do naprednih konfiguracij kvantnih jam in kvantnih pik.
①Heterospojni ojačani medij
Z združevanjem polprevodniških materialov z različnimi pasovnimi prepustnostmi je mogoče nosilce in fotone učinkovito omejiti na določenih območjih, kar poveča učinkovitost ojačanja in zmanjša prag toka.
2Strukture kvantnih jamic
Z zmanjšanjem debeline aktivnega območja na nanometrsko lestvico so elektroni omejeni v dveh dimenzijah, kar znatno poveča učinkovitost sevalne rekombinacije. To ima za posledico laserje z nižjimi pragovnimi tokovi in boljšo toplotno stabilnostjo.
3Strukture kvantnih pik
Z uporabo tehnik samosestavljanja se oblikujejo ničelnodimenzionalne nanostrukture, ki zagotavljajo ostre porazdelitve energijskih nivojev. Te strukture ponujajo izboljšane karakteristike ojačanja in stabilnost valovne dolžine, zaradi česar so raziskovalna vroča točka za visokozmogljive polprevodniške laserje naslednje generacije.
4. Kaj določa medij ojačanja?
①Valovna dolžina emisije
Prepustna pasovna širina materiala določa laser's valovna dolžina. Na primer, InGaAs je primeren za laserje v bližnjem infrardečem območju, medtem ko se InGaN uporablja za modre ali vijolične laserje.
2Učinkovitost in moč
Mobilnost nosilcev in stopnje neradiativne rekombinacije vplivata na učinkovitost optične v električno pretvorbo.
3Toplotna zmogljivost
Različni materiali se na temperaturne spremembe odzivajo na različne načine, kar vpliva na zanesljivost laserja v industrijskem in vojaškem okolju.
4Modulacijski odziv
Ojačevalni medij vpliva na laser'hitrost odziva, kar je ključnega pomena pri aplikacijah za visokohitrostno komunikacijo.
5. Zaključek
V kompleksni strukturi polprevodniških laserjev je ojačevalni medij resnično njegovo "srce"—ni odgovoren le za ustvarjanje laserja, temveč tudi za vpliv na njegovo življenjsko dobo, stabilnost in scenarije uporabe. Od izbire materiala do strukturne zasnove, od makroskopske zmogljivosti do mikroskopskih mehanizmov, vsak preboj v ojačevalnem mediju usmerja lasersko tehnologijo k večji zmogljivosti, širši uporabi in globljemu raziskovanju.
Z nenehnim napredkom v znanosti o materialih in tehnologiji nanofabrikacije se pričakuje, da bodo prihodnji ojačevalni mediji prinesli večjo svetlost, širšo pokritost valovnih dolžin in pametnejše laserske rešitve.—odpiranje več možnosti za znanost, industrijo in družbo.
Čas objave: 17. julij 2025