Optoelektroonilise tehnoloogia kiire arenguga on pooljuhtlaserid tänu oma kõrgele efektiivsusele, kompaktsele suurusele ja moduleerimise lihtsusele laialdaselt kasutust leidnud erinevates valdkondades, nagu telekommunikatsioon, meditsiin, tööstuslik töötlemine ja LiDAR. Selle tehnoloogia keskmes on võimenduskeskkond, millel on ülioluline roll. See toimib...„energiaallikas"mis võimaldab stimuleeritud emissiooni ja laseri genereerimist, määrates laseri'jõudlus, lainepikkus ja rakenduspotentsiaal.
1. Mis on võimenduskeskkond?
Nagu nimigi ütleb, on võimenduskeskkond materjal, mis tagab optilise võimenduse. Väliste energiaallikate (näiteks elektrilise süstimise või optilise pumpamise) ergastamisel võimendab see langevat valgust stimuleeritud emissiooni mehhanismi kaudu, mille tulemuseks on laserkiirgus.
Pooljuhtlaserites koosneb võimenduskeskkond tavaliselt PN-siirde aktiivsest piirkonnast, mille materjali koostis, struktuur ja dopeerimismeetodid mõjutavad otseselt selliseid olulisi parameetreid nagu lävivool, emissioonlainepikkus, efektiivsus ja termilised omadused.
2. Pooljuhtlaserites kasutatavad tavalised võimendusmaterjalid
III-V ühendi pooljuhid on kõige sagedamini kasutatavad võimendusmaterjalid. Tüüpilised näited hõlmavad järgmist:
①GaAs (gallium-arseniid)
Sobib laseritele, mis kiirgavad 850-ndal lainepikkusel–980 nm vahemik, laialdaselt kasutatav optilises sides ja laserprintimisel.
②InP (indiumfosfiid)
Kasutatakse emissiooniks 1,3 µm ja 1,55 µm sagedusribades, mis on fiiberoptilise side jaoks ülioluline.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Nende kompositsioone saab häälestada erinevate lainepikkuste saavutamiseks, moodustades aluse häälestatavate lainepikkustega laserite disainidele.
Nendel materjalidel on tavaliselt otsesed keelutsooni struktuurid, mis muudab need elektron-augu rekombinatsioonil footonemissiooniga väga tõhusaks, ideaalseks kasutamiseks pooljuhtlaseri võimenduskeskkonnas.
3. Võimendusstruktuuride evolutsioon
Valmistamistehnoloogiate arenedes on pooljuhtlaserite võimendusstruktuurid arenenud varajastest homosiirdest heterosiirdeks ja edasi täiustatud kvantkaevude ja kvantpunktide konfiguratsioonideks.
①Heteroühenduste võimendus keskmine
Pooljuhtmaterjalide kombineerimisel erinevate keelutsoonidega saab kandjaid ja footoneid tõhusalt piirata määratud piirkondades, suurendades võimenduse efektiivsust ja vähendades lävivoolu.
②Kvantkaevude struktuurid
Aktiivse piirkonna paksuse vähendamisega nanomeetri skaalale piiratakse elektronid kahes dimensioonis, suurendades oluliselt kiirgusliku rekombinatsiooni efektiivsust. Selle tulemuseks on madalama lävivoolu ja parema termilise stabiilsusega laserid.
③Kvantpunktide struktuurid
Isekomplekteerumistehnikate abil moodustatakse nullmõõtmelisi nanostruktuure, mis pakuvad teravaid energiatasemete jaotusi. Need struktuurid pakuvad paremaid võimendusomadusi ja lainepikkuse stabiilsust, muutes need järgmise põlvkonna suure jõudlusega pooljuhtlaserite uurimiskeskuseks.
4. Mida määrab võimenduskeskkond?
①Emissioonilainepikkus
Materjali keelutsoon määrab laseri's lainepikkus. Näiteks InGaAs sobib lähiinfrapunalaserite jaoks, samas kui InGaN-i kasutatakse siniste või violetsete laserite jaoks.
②Tõhusus ja võimsus
Kandjate liikuvus ja mitte-kiirguslikud rekombinatsioonikiirused mõjutavad optilise-elektrilise muundamise efektiivsust.
③Termiline jõudlus
Erinevad materjalid reageerivad temperatuurimuutustele erinevalt, mis mõjutab laseri töökindlust tööstus- ja sõjakeskkonnas.
④Modulatsioonivastus
Võimenduskeskkond mõjutab laserit'reageerimiskiirus, mis on kriitilise tähtsusega kiirete siderakenduste puhul.
5. Kokkuvõte
Pooljuhtlaserite keerulises struktuuris on võimenduskeskkond tõeliselt selle "süda"—mitte ainult vastutab laseri genereerimise eest, vaid mõjutab ka selle eluiga, stabiilsust ja rakendusvõimalusi. Alates materjalivalikust kuni konstruktsioonilise disainini, makroskoopilisest jõudlusest kuni mikroskoopiliste mehhanismideni – iga läbimurre võimenduskeskkonnas viib lasertehnoloogiat suurema jõudluse, laiemate rakenduste ja põhjalikuma uurimise poole.
Materjaliteaduse ja nanotehnoloogia pideva arenguga eeldatakse, et tulevased võimenduskeskkonnad pakuvad suuremat heledust, laiemat lainepikkuste ulatust ja nutikamaid laserlahendusi.—avades rohkem võimalusi teadusele, tööstusele ja ühiskonnale.
Postituse aeg: 17. juuli 2025