Met de snelle vooruitgang van de opto-elektronische technologie worden halfgeleiderlasers steeds vaker gebruikt in diverse sectoren, zoals telecommunicatie, geneeskunde, industriële processen 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"dat gestimuleerde emissie en lasergeneratie mogelijk maakt, waardoor de laser wordt bepaald.'prestaties, golflengte en toepassingspotentieel.
1. Wat is een gainmedium?
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 optische pomping), 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 doteringsmethoden van dit gebied hebben een directe invloed op belangrijke parameters zoals drempelstroom, emissiegolflengte, rendement en thermische eigenschappen.
2. Veelgebruikte versterkingsmaterialen in halfgeleiderlasers
III-V-verbindingen zijn de meest gebruikte versterkingsmaterialen. Typische voorbeelden zijn:
①GaAs (Galliumarsenide)
Geschikt voor lasers die emitteren in het 850-bereik.–Het 980 nm-bereik wordt veel gebruikt in optische communicatie en laserprinten.
②InP (Indiumfosfide)
Gebruikt voor emissie in de 1,3 µm en 1,55 µm banden, cruciaal voor glasvezelcommunicatie.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Hun samenstelling kan worden aangepast om verschillende golflengten te verkrijgen, wat de basis vormt voor laserontwerpen met instelbare golflengte.
Deze materialen hebben doorgaans een directe bandgapstructuur, waardoor ze zeer efficiënt zijn in elektron-gat recombinatie met fotonenemissie, ideaal voor gebruik als versterkingsmedium in halfgeleiderlasers.
3. Evolutie van versterkingsstructuren
Naarmate de fabricagetechnologieën zich hebben ontwikkeld, zijn de versterkingsstructuren in halfgeleiderlasers geëvolueerd van vroege homoverbindingen naar heteroverbindingen, en verder naar geavanceerde kwantumput- en kwantumdotconfiguraties.
①Heteroverbindingsversterkingsmedium
Door halfgeleidermaterialen met verschillende bandbreedtes te combineren, kunnen ladingsdragers en fotonen effectief in specifieke gebieden worden geconcentreerd, waardoor de versterkingsefficiëntie wordt verhoogd en de drempelstroom wordt verlaagd.
②Kwantumputstructuren
Door de dikte van het actieve gebied te reduceren tot de nanometerschaal, worden elektronen in twee dimensies opgesloten, waardoor de efficiëntie van de stralingsrecombinatie aanzienlijk toeneemt. Dit resulteert in lasers met lagere drempelstromen en een betere thermische stabiliteit.
③Kwantumdotstructuren
Met behulp van zelfassemblagetechnieken worden nuldimensionale nanostructuren gevormd, die scherpe energieniveauverdelingen opleveren. Deze structuren bieden verbeterde versterkingseigenschappen en golflengtestabiliteit, waardoor ze een belangrijk onderzoeksgebied vormen voor de volgende generatie hoogwaardige halfgeleiderlasers.
4. Wat bepaalt het versterkingsmedium?
①Emissiegolflengte
De bandgap van het materiaal bepaalt de laser.'s golflengte. InGaAs is bijvoorbeeld geschikt voor nabij-infraroodlasers, terwijl InGaN wordt gebruikt voor blauwe of violette lasers.
②Efficiëntie en vermogen
De mobiliteit van ladingsdragers en de niet-radiatieve recombinatiesnelheden beïnvloeden de efficiëntie van de optische-naar-elektrische conversie.
③Thermische prestaties
Verschillende materialen reageren op uiteenlopende manieren op temperatuurschommelingen, wat de betrouwbaarheid van de laser in industriële en militaire omgevingen beïnvloedt.
④Modulatierespons
Het versterkingsmedium beïnvloedt de laser.'De reactiesnelheid is cruciaal bij snelle communicatietoepassingen.
5. Conclusie
In de complexe structuur van halfgeleiderlasers is het versterkingsmedium werkelijk het "hart".—Niet alleen is het de bedoeling om de laser te genereren, maar het beïnvloedt ook de levensduur, stabiliteit en toepassingsmogelijkheden ervan. Van materiaalkeuze tot structureel ontwerp, van macroscopische prestaties tot microscopische mechanismen: elke doorbraak in het versterkingsmedium stuwt de lasertechnologie naar betere prestaties, bredere toepassingen en diepgaander onderzoek.
Door de voortdurende vooruitgang in materiaalkunde en nanofabricagetechnologie zullen toekomstige versterkingsmedia naar verwachting een hogere helderheid, een breder golflengtebereik en slimmere laseroplossingen bieden.—waardoor er meer mogelijkheden ontstaan voor wetenschap, industrie en maatschappij.
Geplaatst op: 17 juli 2025