Līdz ar straujo optoelektroniskās tehnoloģijas attīstību pusvadītāju lāzeri ir kļuvuši plaši izmantoti dažādās jomās, piemēram, telekomunikācijās, medicīnā, rūpnieciskajā apstrādē un LiDAR, pateicoties to augstajai efektivitātei, kompaktajam izmēram un vienkāršajai modulācijai. Šīs tehnoloģijas pamatā ir pastiprināšanas vide, kurai ir absolūti būtiska loma. Tā kalpo kā“enerģijas avots"kas nodrošina stimulētu emisiju un lāzera ģenerēšanu, nosakot lāzera"veiktspēja, viļņa garums un pielietojuma potenciāls.
1. Kas ir pastiprinājuma vide?
Kā norāda nosaukums, pastiprināšanas vide ir materiāls, kas nodrošina optisko pastiprinājumu. Kad to ierosina ārēji enerģijas avoti (piemēram, elektriskā injekcija vai optiskā sūknēšana), tā pastiprina krītošo gaismu, izmantojot stimulētas emisijas mehānismu, kā rezultātā rodas lāzera starojums.
Pusvadītāju lāzeros pastiprināšanas vide parasti sastāv no aktīvā apgabala PN savienojumā, kura materiāla sastāvs, struktūra un dopinga metodes tieši ietekmē tādus galvenos parametrus kā sliekšņa strāva, emisijas viļņa garums, efektivitāte un termiskās īpašības.
2. Biežākie pastiprinājuma materiāli pusvadītāju lāzeros
III-V savienojumu pusvadītāji ir visbiežāk izmantotie pastiprināšanas materiāli. Tipiski piemēri ir:
①GaAs (gallija arsenīds)
Piemērots lāzeriem, kas izstaro 850–980 nm diapazons, plaši izmantots optiskajā sakaros un lāzerdrukā.
②InP (indija fosfīds)
Izmanto emisijai 1,3 µm un 1,55 µm joslās, kas ir ļoti svarīgi optisko šķiedru sakariem.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
To kompozīcijas var noregulēt, lai sasniegtu dažādus viļņu garumus, veidojot pamatu regulējama viļņu garuma lāzeru konstrukcijām.
Šiem materiāliem parasti ir tiešas joslas spraugas struktūras, kas padara tos ļoti efektīvus elektronu-caurumu rekombinācijā ar fotonu emisiju, ideāli piemērotus izmantošanai pusvadītāju lāzera pastiprināšanas vidē.
3. Pastiprinājuma struktūru evolūcija
Attīstoties ražošanas tehnoloģijām, pusvadītāju lāzeru pastiprinājuma struktūras ir attīstījušās no agrīnām homosavienojumiem līdz heterosavienojumiem un tālāk līdz progresīvām kvantu aku un kvantu punktu konfigurācijām.
①Heterosaskarnes pastiprinājums ir vidējs
Apvienojot pusvadītāju materiālus ar dažādām joslas spraugām, nesējus un fotonus var efektīvi ierobežot noteiktos reģionos, uzlabojot pastiprinājuma efektivitāti un samazinot sliekšņa strāvu.
②Kvantu aku struktūras
Samazinot aktīvā apgabala biezumu līdz nanometru mērogam, elektroni tiek ierobežoti divās dimensijās, ievērojami palielinot starojuma rekombinācijas efektivitāti. Tas rada lāzerus ar zemākām sliekšņa strāvām un labāku termisko stabilitāti.
③Kvantu punktu struktūras
Izmantojot pašsalikšanās metodes, tiek veidotas nulles dimensiju nanostruktūras, kas nodrošina asu enerģijas līmeņu sadalījumu. Šīs struktūras piedāvā uzlabotas pastiprinājuma īpašības un viļņa garuma stabilitāti, padarot tās par pētniecības karsto punktu nākamās paaudzes augstas veiktspējas pusvadītāju lāzeriem.
4. Ko nosaka pastiprinājuma vide?
①Emisijas viļņa garums
Materiāla joslas sprauga nosaka lāzeru"s viļņa garums. Piemēram, InGaAs ir piemērots tuvā infrasarkanā starojuma lāzeriem, savukārt InGaN tiek izmantots ziliem vai violetiem lāzeriem.
②Efektivitāte un jauda
Nesēju mobilitāte un neradiatīvās rekombinācijas ātrumi ietekmē optiskās-elektriskās konversijas efektivitāti.
③Termiskā veiktspēja
Dažādi materiāli reaģē uz temperatūras izmaiņām dažādos veidos, ietekmējot lāzera uzticamību rūpnieciskā un militārā vidē.
④Modulācijas reakcija
Pastiprināšanas vide ietekmē lāzeru"reakcijas ātrums, kas ir kritiski svarīgs ātrdarbīgās sakaru lietojumprogrammās.
5. Secinājums
Pusvadītāju lāzeru sarežģītajā struktūrā pastiprināšanas vide patiesi ir tā "sirds".—ne tikai atbildīgs par lāzera ģenerēšanu, bet arī ietekmē tā kalpošanas laiku, stabilitāti un pielietojuma scenārijus. Sākot ar materiālu izvēli un beidzot ar konstrukcijas dizainu, sākot ar makroskopisku veiktspēju un beidzot ar mikroskopiskiem mehānismiem, katrs sasniegums pastiprināšanas vidē virza lāzertehnoloģiju uz lielāku veiktspēju, plašākiem pielietojumiem un dziļāku izpēti.
Līdz ar notiekošo materiālzinātnes un nanotehnoloģiju attīstību, paredzams, ka nākotnes pastiprināšanas vides nodrošinās lielāku spilgtumu, plašāku viļņu garuma pārklājumu un viedākus lāzerrisinājumus.—paverot vairāk iespēju zinātnei, rūpniecībai un sabiedrībai.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 17. jūlijs