Med den snabba utvecklingen av optoelektronisk teknik har halvledarlasrar blivit allmänt använda inom olika områden som telekommunikation, medicin, industriell bearbetning och LiDAR, tack vare deras höga effektivitet, kompakta storlek och enkla modulering. Kärnan i denna teknik ligger förstärkningsmediet, vilket spelar en absolut viktig roll. Det fungerar som"energikälla"som möjliggör stimulerad emission och lasergenerering, vilket bestämmer lasern's prestanda, våglängd och tillämpningspotential.
1. Vad är ett förstärkningsmedium?
Som namnet antyder är ett förstärkningsmedium ett material som ger optisk förstärkning. När det exciteras av externa energikällor (såsom elektrisk injektion eller optisk pumpning) förstärker det infallande ljus genom stimulerad emission, vilket leder till laserutgång.
I halvledarlasrar består förstärkningsmediet vanligtvis av den aktiva regionen vid PN-övergången, vars materialsammansättning, struktur och dopningsmetoder direkt påverkar viktiga parametrar som tröskelström, emissionsvåglängd, effektivitet och termiska egenskaper.
2. Vanliga förstärkningsmaterial i halvledarlasrar
III-V-sammansatta halvledare är de vanligaste förstärkningsmaterialen. Typiska exempel inkluderar:
①GaAs (galliumarsenid)
Lämplig för lasrar som avger i 850–980 nm-område, används ofta inom optisk kommunikation och laserutskrift.
②InP (indiumfosfid)
Används för emission i 1,3 µm- och 1,55 µm-banden, avgörande för fiberoptisk kommunikation.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Deras kompositioner kan justeras för att uppnå olika våglängder, vilket utgör grunden för laserdesigner med avstämbar våglängd.
Dessa material har vanligtvis direkta bandgapstrukturer, vilket gör dem mycket effektiva vid elektron-hål-rekombination med fotonemission, idealiska för användning i halvledarlaserförstärkningsmedium.
3. Utvecklingen av förstärkningsstrukturer
I takt med att tillverkningsteknikerna har utvecklats har förstärkningsstrukturer i halvledarlasrar utvecklats från tidiga homojunktioner till heterojunktioner, och vidare till avancerade kvantbrunns- och kvantprickkonfigurationer.
①Heterojunction-förstärkningsmedium
Genom att kombinera halvledarmaterial med olika bandgap kan bärare och fotoner effektivt begränsas till utvalda områden, vilket förbättrar förstärkningseffektiviteten och minskar tröskelströmmen.
②Kvantbrunnsstrukturer
Genom att reducera tjockleken på den aktiva regionen till nanometerskalan begränsas elektronerna i två dimensioner, vilket avsevärt ökar effektiviteten hos strålningsrekombinationen. Detta resulterar i lasrar med lägre tröskelströmmar och bättre termisk stabilitet.
③Kvantpunktsstrukturer
Med hjälp av självorganiserande tekniker bildas nolldimensionella nanostrukturer, vilket ger skarpa energinivåfördelningar. Dessa strukturer erbjuder förbättrade förstärkningsegenskaper och våglängdsstabilitet, vilket gör dem till ett forskningscentrum för nästa generations högpresterande halvledarlasrar.
4. Vad bestämmer förstärkningsmediet?
①Emissionsvåglängd
Materialets bandgap bestämmer laserns's våglängd. Till exempel är InGaAs lämpligt för nära-infraröda lasrar, medan InGaN används för blå eller violetta lasrar.
②Effektivitet och kraft
Bärarmobilitet och icke-strålande rekombinationshastigheter påverkar den optiska till elektriska omvandlingseffektiviteten.
③Termisk prestanda
Olika material reagerar på temperaturförändringar på olika sätt, vilket påverkar laserns tillförlitlighet i industriella och militära miljöer.
④Modulationsrespons
Förstärkningsmediet påverkar lasern's svarshastighet, vilket är avgörande i höghastighetskommunikationstillämpningar.
5. Slutsats
I halvledarlasrarnas komplexa struktur är förstärkningsmediet verkligen dess "hjärta".—inte bara ansvarig för att generera lasern utan också för att påverka dess livslängd, stabilitet och tillämpningsscenarier. Från materialval till strukturell design, från makroskopisk prestanda till mikroskopiska mekanismer, driver varje genombrott inom förstärkningsmedium lasertekniken mot bättre prestanda, bredare tillämpningar och djupare utforskning.
Med fortsatta framsteg inom materialvetenskap och nanotillverkningsteknik förväntas framtida förstärkningsmedier ge högre ljusstyrka, bredare våglängdstäckning och smartare laserlösningar.—frigör fler möjligheter för vetenskap, industri och samhälle.
Publiceringstid: 17 juli 2025