С бързото развитие на оптоелектронните технологии, полупроводниковите лазери са намерили широко приложение в различни области като телекомуникациите, медицината, промишлената обработка и LiDAR, благодарение на високата си ефективност, компактните размери и лесната модулация. В основата на тази технология е усилващата среда, която играе абсолютно жизненоважна роля. Тя служи като...„източник на енергия„което позволява стимулирано излъчване и генериране на лазер, определяйки лазера„производителност, дължина на вълната и потенциал на приложение.
1. Какво е среда за усилване?
Както подсказва името, усилващата среда е материал, който осигурява оптично усилване. Когато е възбудена от външни енергийни източници (като електрическо инжектиране или оптично напомпване), тя усилва падащата светлина чрез механизма на стимулирано излъчване, което води до лазерен изход.
В полупроводниковите лазери, усилващата среда обикновено се състои от активната област на PN прехода, чийто материален състав, структура и методи на легиране пряко влияят върху ключови параметри като прагов ток, дължина на вълната на емисия, ефективност и термични характеристики.
2. Често срещани материали за усилване в полупроводникови лазери
III-V съединенията-полупроводници са най-често използваните усилващи материали. Типични примери включват:
①GaAs (галиев арсенид)
Подходящ за лазери, излъчващи в 850–Диапазон от 980 nm, широко използван в оптичните комуникации и лазерния печат.
2InP (индиев фосфид)
Използва се за излъчване в диапазоните 1,3 µm и 1,55 µm, което е от решаващо значение за оптичните комуникации.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Техните състави могат да бъдат настроени за постигане на различни дължини на вълните, което формира основата за лазерни конструкции с регулируема дължина на вълната.
Тези материали обикновено се характеризират с директни структури с забранена зона, което ги прави високоефективни при електронно-дупкова рекомбинация с фотонна емисия, идеални за използване в полупроводникови лазерни среди за усилване.
3. Еволюция на структурите на усилване
С развитието на технологиите за производство, структурите на усилване в полупроводниковите лазери са еволюирали от ранни хомопреходи до хетеропреходи и по-нататък до усъвършенствани конфигурации на квантови ями и квантови точки.
①Среда за усилване на хетеропрехода
Чрез комбиниране на полупроводникови материали с различни ширини на забранените зони, носителите и фотоните могат да бъдат ефективно ограничени в определени области, повишавайки ефективността на усилване и намалявайки праговия ток.
2Структури на квантовите ямки
Чрез намаляване на дебелината на активната област до нанометров мащаб, електроните се ограничават в две измерения, което значително увеличава ефективността на радиационната рекомбинация. Това води до лазери с по-ниски прагови токове и по-добра термична стабилност.
③Структури с квантови точки
Чрез техники за самосглобяване се формират нулеворазмерни наноструктури, осигуряващи рязко разпределение на енергийните нива. Тези структури предлагат подобрени характеристики на усилване и стабилност на дължината на вълната, което ги прави гореща точка за изследвания за високопроизводителни полупроводникови лазери от следващо поколение.
4. Какво определя средата на усилване?
①Дължина на вълната на емисия
Забранената зона на материала определя лазера„s дължина на вълната. Например, InGaAs е подходящ за лазери в близката инфрачервена област, докато InGaN се използва за сини или виолетови лазери.
2Ефективност и мощност
Мобилността на носителите и скоростите на нерадиационна рекомбинация влияят върху ефективността на оптичното-електрическо преобразуване.
③Термична производителност
Различните материали реагират на температурните промени по различни начини, което влияе върху надеждността на лазера в промишлена и военна среда.
4Модулационен отговор
Усилващата среда влияе на лазера„скорост на реакция, която е критична при приложения за високоскоростна комуникация.
5. Заключение
В сложната структура на полупроводниковите лазери, усилващата среда е истинското им „сърце“.—не само отговорен за генерирането на лазера, но и за влиянието върху неговия живот, стабилност и сценарии на приложение. От избора на материали до структурния дизайн, от макроскопичните характеристики до микроскопичните механизми, всеки пробив в усилващата среда тласка лазерната технология към по-голяма производителност, по-широки приложения и по-задълбочено проучване.
С непрекъснатия напредък в материалознанието и нанотехнологиите за производство, се очаква бъдещите среди за усилване да донесат по-висока яркост, по-широко покритие на дължината на вълната и по-интелигентни лазерни решения.—отключване на повече възможности за науката, индустрията и обществото.
Време на публикуване: 17 юли 2025 г.