Зі швидким розвитком оптоелектронних технологій, напівпровідникові лазери стали широко використовуватися в різних галузях, таких як телекомунікації, медицина, промислова обробка та LiDAR, завдяки своїй високій ефективності, компактним розмірам та легкості модуляції. В основі цієї технології лежить підсилювальне середовище, яке відіграє абсолютно життєво важливу роль. Воно служить як«джерело енергії«що забезпечує вимушене випромінювання та генерацію лазера, визначаючи лазер'продуктивність, довжина хвилі та потенціал застосування.
1. Що таке середовище посилення?
Як випливає з назви, підсилювальне середовище – це матеріал, який забезпечує оптичне посилення. При збудженні зовнішніми джерелами енергії (такими як електрична інжекція або оптичне накачування) воно підсилює падаюче світло за допомогою механізму вимушеного випромінювання, що призводить до лазерного випромінювання.
У напівпровідникових лазерах середовище підсилення зазвичай складається з активної області на PN-переході, склад матеріалу, структура та методи легування якої безпосередньо впливають на ключові параметри, такі як пороговий струм, довжина хвилі випромінювання, ефективність та теплові характеристики.
2. Поширені матеріали для посилення в напівпровідникових лазерах
Найчастіше використовуються напівпровідникові сполуки III-V групи. Типові приклади включають:
①GaAs (арсенід галію)
Підходить для лазерів, що випромінюють у діапазоні 850–Діапазон 980 нм, широко використовується в оптичному зв'язку та лазерному друці.
②InP (фосфід індію)
Використовується для випромінювання в діапазонах 1,3 мкм та 1,55 мкм, що має вирішальне значення для волоконно-оптичного зв'язку.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Їхні склади можна налаштувати для досягнення різних довжин хвиль, що формує основу для конструкцій лазерів з настроюваною довжиною хвилі.
Ці матеріали зазвичай мають прямі структури забороненої зони, що робить їх високоефективними при електронно-дірковій рекомбінації з випромінюванням фотонів, ідеальними для використання в середовищі для посилення напівпровідникових лазерів.
3. Еволюція структур посилення
З розвитком технологій виготовлення, структури посилення в напівпровідникових лазерах еволюціонували від ранніх гомопереходів до гетеропереходів, і далі до вдосконалених конфігурацій квантових ям і квантових точок.
①Середовище посилення гетеропереходу
Поєднуючи напівпровідникові матеріали з різними ширинами забороненої зони, носії заряду та фотони можуть бути ефективно обмежені у визначених областях, підвищуючи ефективність посилення та зменшуючи пороговий струм.
②Структури квантових ям
Зменшуючи товщину активної області до нанометрового масштабу, електрони утримуються у двох вимірах, що значно підвищує ефективність радіаційної рекомбінації. Це призводить до створення лазерів з нижчими пороговими струмами та кращою термічною стабільністю.
③Структури квантових точок
За допомогою методів самоскладання формуються нульвимірні наноструктури, що забезпечують чіткий розподіл енергетичних рівнів. Ці структури пропонують покращені характеристики посилення та стабільність довжини хвилі, що робить їх дослідницькою гарячою точкою для високопродуктивних напівпровідникових лазерів наступного покоління.
4. Що визначає середовище посилення?
①Довжина хвилі випромінювання
Ширина забороненої зони матеріалу визначає лазер's довжина хвилі. Наприклад, InGaAs підходить для лазерів ближнього інфрачервоного діапазону, тоді як InGaN використовується для синіх або фіолетових лазерів.
②Ефективність та потужність
Рухливість носіїв заряду та швидкість невипромінювальної рекомбінації впливають на ефективність оптичного перетворення в електричне.
③Теплова продуктивність
Різні матеріали по-різному реагують на зміни температури, що впливає на надійність лазера в промисловому та військовому середовищі.
④Модуляційна реакція
Підсилювальне середовище впливає на лазер'швидкість відгуку, що є критично важливим у високошвидкісних комунікаційних програмах.
5. Висновок
У складній структурі напівпровідникових лазерів середовище підсилення є справді її «серцем»—не лише відповідає за генерацію лазера, але й впливає на його термін служби, стабільність та сценарії застосування. Від вибору матеріалів до структурного проектування, від макроскопічних характеристик до мікроскопічних механізмів, кожен прорив у середовищі посилення рухає лазерні технології до більшої продуктивності, ширшого застосування та глибшого дослідження.
З огляду на постійний прогрес у матеріалознавстві та нанотехнологіях виробництва, очікується, що майбутні лазери з підсиленням забезпечать вищу яскравість, ширше охоплення довжин хвиль та розумніші лазерні рішення.—розкриття більших можливостей для науки, промисловості та суспільства.
Час публікації: 17 липня 2025 р.