S rychlým rozvojem optoelektronické technologie se polovodičové lasery díky své vysoké účinnosti, kompaktním rozměrům a snadné modulaci široce používají v různých oblastech, jako jsou telekomunikace, medicína, průmyslové zpracování a LiDAR. Jádrem této technologie je zesilovací médium, které hraje naprosto zásadní roli. Slouží jako„energetický zdroj„který umožňuje stimulovanou emisi a generování laseru, určující laser'výkon, vlnová délka a aplikační potenciál.
1. Co je to ziskové médium?
Jak název napovídá, zesilovací médium je materiál, který zajišťuje optické zesílení. Při buzení externími zdroji energie (jako je elektrická injekce nebo optické čerpání) zesiluje dopadající světlo mechanismem stimulované emise, což vede k laserovému výstupu.
V polovodičových laserech se zesilovací médium obvykle skládá z aktivní oblasti na PN přechodu, jejíž materiálové složení, struktura a metody dopování přímo ovlivňují klíčové parametry, jako je prahový proud, emisní vlnová délka, účinnost a tepelné vlastnosti.
2. Běžné materiály pro zesílení v polovodičových laserech
Nejčastěji používanými materiály pro zesílení jsou polovodičové sloučeniny III-V. Mezi typické příklady patří:
①GaAs (arsenid galia)
Vhodné pro lasery vyzařující v rozsahu 850–Rozsah 980 nm, široce používaný v optické komunikaci a laserovém tisku.
2InP (fosfid india)
Používá se pro emisi v pásmech 1,3 µm a 1,55 µm, což je klíčové pro komunikaci optickými vlákny.
3InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Jejich složení lze ladit pro dosažení různých vlnových délek, což tvoří základ pro návrhy laserů s laditelnou vlnovou délkou.
Tyto materiály se obvykle vyznačují přímou strukturou s pásmovou mezerou, což je činí vysoce účinnými při elektron-děrové rekombinaci s emisí fotonů, což je ideální pro použití v polovodičových laserových zesilovacích médiích.
3. Vývoj struktur zisku
S pokrokem výrobních technologií se zesilovací struktury v polovodičových laserech vyvinuly od raných homo-přechodů k hetero-přechodům a dále k pokročilým konfiguracím kvantových jám a kvantových teček.
①Heterogenní zesílení média
Kombinací polovodičových materiálů s různými zakázanými pásmy lze nosiče náboje a fotony efektivně omezit v určených oblastech, což zvyšuje účinnost zesílení a snižuje prahový proud.
2Struktury kvantových jám
Zmenšením tloušťky aktivní oblasti na nanometrovou škálu jsou elektrony omezeny ve dvou rozměrech, což výrazně zvyšuje účinnost radiační rekombinace. Výsledkem jsou lasery s nižšími prahovými proudy a lepší tepelnou stabilitou.
3Struktury kvantových teček
Pomocí technik samouskládání se vytvářejí nulové nanostruktury, které poskytují ostré rozložení energetických hladin. Tyto struktury nabízejí vylepšené charakteristiky zesílení a stabilitu vlnové délky, což z nich činí výzkumné centrum pro vysoce výkonné polovodičové lasery nové generace.
4. Co určuje zesilovací médium?
①Vlnová délka emise
Zakázané pásmo materiálu určuje laser'vlnová délka s. Například InGaAs je vhodný pro lasery v blízké infračervené oblasti, zatímco InGaN se používá pro modré nebo fialové lasery.
2Účinnost a výkon
Mobilita nosičů náboje a rychlosti neradiační rekombinace ovlivňují účinnost optické na elektrickou přeměny.
3Tepelný výkon
Různé materiály reagují na změny teploty různými způsoby, což ovlivňuje spolehlivost laseru v průmyslovém a vojenském prostředí.
4Modulační odezva
Ziskové médium ovlivňuje laser'rychlost odezvy, která je kritická ve vysokorychlostních komunikačních aplikacích.
5. Závěr
V komplexní struktuře polovodičových laserů je zesilovací médium skutečně jeho „srdcem“—nejenže je zodpovědný za generování laseru, ale také ovlivňuje jeho životnost, stabilitu a aplikační scénáře. Od výběru materiálu po konstrukční návrh, od makroskopického výkonu až po mikroskopické mechanismy, každý průlom v oblasti zesilovacího média posouvá laserovou technologii k vyššímu výkonu, širšímu uplatnění a hlubšímu průzkumu.
S neustálým pokrokem v materiálové vědě a nanotechnologii výroby se očekává, že budoucí zesilovací média přinesou vyšší jas, širší pokrytí vlnových délek a inteligentnější laserová řešení.—odemykání dalších možností pro vědu, průmysl a společnost.
Čas zveřejnění: 17. července 2025