Met de snelle vooruitgang van de opto-elektronische technologie worden halfgeleiderlasers op grote schaal gebruikt in diverse sectoren, zoals telecommunicatie, geneeskunde, industriële verwerking en LiDAR, dankzij hun hoge efficiëntie, compacte formaat en eenvoudige modulatie. De kern van deze technologie wordt gevormd door het versterkingsmedium, dat een absoluut essentiële rol speelt. Het dient als de“energiebron"die gestimuleerde emissie en lasergeneratie mogelijk maakt, waarbij de laser wordt bepaald'prestaties, golflengte en toepassingspotentieel.
1. Wat is een gain medium?
Zoals de naam al doet vermoeden, is een versterkingsmedium een materiaal dat optische versterking biedt. Wanneer het wordt aangeslagen door externe energiebronnen (zoals elektrische injectie of optisch pompen), versterkt het invallend licht via het mechanisme van gestimuleerde emissie, wat leidt tot laseruitvoer.
Bij halfgeleiderlasers bestaat het versterkingsmedium doorgaans uit het actieve gebied bij de PN-overgang. De materiaalsamenstelling, structuur en dopingmethoden van dit medium hebben rechtstreeks invloed op belangrijke parameters zoals drempelstroom, emissiegolflengte, efficiëntie en thermische eigenschappen.
2. Veelgebruikte versterkingsmaterialen in halfgeleiderlasers
III-V-compoundhalfgeleiders zijn de meest gebruikte versterkingsmaterialen. Typische voorbeelden zijn:
①GaAs (galliumarsenide)
Geschikt voor lasers die uitzenden in de 850–Bereik van 980 nm, veelgebruikt in optische communicatie en laserprinten.
②InP (indiumfosfide)
Wordt gebruikt voor emissie in de banden van 1,3 µm en 1,55 µm, cruciaal voor glasvezelcommunicatie.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Hun samenstelling kan worden afgestemd op verschillende golflengten, wat de basis vormt voor laserontwerpen met instelbare golflengten.
Deze materialen hebben doorgaans directe bandgapstructuren, waardoor ze zeer efficiënt zijn bij elektron-gat-recombinatie met fotonemissie. Dit maakt ze ideaal voor gebruik in halfgeleiderlaserversterkingsmedia.
3. Evolutie van winststructuren
Naarmate de fabricagetechnologieën vorderden, zijn de versterkingsstructuren in halfgeleiderlasers geëvolueerd van vroege homojuncties naar heterojuncties en vervolgens naar geavanceerde kwantumput- en kwantumdotconfiguraties.
①Heterojunctie Versterking Medium
Door halfgeleidermaterialen met verschillende bandafstanden te combineren, kunnen dragers en fotonen effectief worden beperkt tot aangewezen gebieden, waardoor de versterkingsefficiëntie wordt verbeterd en de drempelstroom wordt verlaagd.
②Quantum Well Structures
Door de dikte van het actieve gebied te verkleinen tot nanometerschaal, worden elektronen in twee dimensies opgesloten, wat de efficiëntie van stralingsrecombinatie aanzienlijk verhoogt. Dit resulteert in lasers met lagere drempelstromen en een betere thermische stabiliteit.
③Quantum Dot Structuren
Met behulp van zelfassemblagetechnieken worden nuldimensionale nanostructuren gevormd, die zorgen voor een scherpe energieverdeling. Deze structuren bieden verbeterde versterkingseigenschappen en golflengtestabiliteit, waardoor ze een onderzoekshotspot vormen voor de volgende generatie hoogwaardige halfgeleiderlasers.
4. Wat bepaalt het versterkingsmedium?
①Emissiegolflengte
De bandgap van het materiaal bepaalt de laser'golflengte. InGaAs is bijvoorbeeld geschikt voor nabij-infraroodlasers, terwijl InGaN wordt gebruikt voor blauwe of violette lasers.
②Efficiëntie en vermogen
Mobiliteit van dragers en niet-stralingsgerelateerde recombinatiesnelheden beïnvloeden de efficiëntie van de optische-naar-elektrische conversie.
③Thermische prestaties
Verschillende materialen reageren op verschillende manieren op temperatuurveranderingen, wat van invloed is op de betrouwbaarheid van de laser in industriële en militaire omgevingen.
④Modulatierespons
Het versterkingsmedium beïnvloedt de laser'de reactiesnelheid, die van cruciaal belang is bij toepassingen met hogesnelheidscommunicatie.
5. Conclusie
In de complexe structuur van halfgeleiderlasers is het versterkingsmedium werkelijk het ‘hart’—Niet alleen verantwoordelijk voor het genereren van de laser, maar ook voor het beïnvloeden van de levensduur, stabiliteit en toepassingsscenario's. Van materiaalkeuze tot structureel ontwerp, van macroscopische prestaties tot microscopische mechanismen: elke doorbraak in versterkingsmedium stuwt lasertechnologie naar betere prestaties, bredere toepassingen en diepgaandere verkenning.
Met de voortdurende vooruitgang in materiaalkunde en nanofabricagetechnologie wordt verwacht dat toekomstige versterkingsmedia een hogere helderheid, een bredere golflengtedekking en slimmere laseroplossingen zullen opleveren—waardoor er meer mogelijkheden ontstaan voor wetenschap, industrie en maatschappij.
Plaatsingstijd: 17-07-2025