Amb el ràpid avenç de la tecnologia optoelectrònica, els làsers semiconductors s'han utilitzat àmpliament en diversos camps com les telecomunicacions, la medicina, el processament industrial i el LiDAR, gràcies a la seva alta eficiència, mida compacta i facilitat de modulació. Al centre d'aquesta tecnologia hi ha el medi de guany, que juga un paper absolutament vital. Serveix com a"font d'energia"que permet l'emissió estimulada i la generació de làser, determinant el làser'Rendiment, longitud d'ona i potencial d'aplicació.
1. Què és un mitjà de guany?
Com el seu nom indica, un medi de guany és un material que proporciona amplificació òptica. Quan s'excita mitjançant fonts d'energia externes (com ara injecció elèctrica o bombament òptic), amplifica la llum incident mitjançant el mecanisme d'emissió estimulada, donant lloc a una sortida làser.
En els làsers semiconductors, el medi de guany està compost típicament per la regió activa de la unió PN, la composició, l'estructura i els mètodes de dopatge de la qual influeixen directament en paràmetres clau com el corrent llindar, la longitud d'ona d'emissió, l'eficiència i les característiques tèrmiques.
2. Materials de guany comuns en làsers semiconductors
Els semiconductors compostos III-V són els materials de guany més utilitzats. Exemples típics inclouen:
1.GaAs (arseniur de gal·li)
Apte per a làsers que emeten en el rang de 850–Rang de 980 nm, àmpliament utilitzat en comunicacions òptiques i impressió làser.
2.InP (fosfur d'indi)
S'utilitza per a l'emissió en les bandes d'1,3 µm i 1,55 µm, crucial per a les comunicacions de fibra òptica.
3InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Les seves composicions es poden ajustar per aconseguir diferents longituds d'ona, formant la base dels dissenys de làser de longitud d'ona ajustable.
Aquests materials solen presentar estructures de banda prohibida directa, cosa que els fa altament eficients en la recombinació electró-forat amb emissió de fotons, ideals per al seu ús en un medi de guany làser semiconductor.
3. Evolució de les estructures de guany
A mesura que les tecnologies de fabricació han progressat, les estructures de guany en làsers semiconductors han evolucionat des de les primeres homojuncions fins a les heterojuncions, i més enllà fins a configuracions avançades de pous quàntics i punts quàntics.
1.Guany d'heterojunció mitjà
Combinant materials semiconductors amb diferents intervals de banda, els portadors i els fotons es poden confinar eficaçment en regions designades, millorant l'eficiència del guany i reduint el corrent llindar.
2.Estructures de pous quàntics
En reduir el gruix de la regió activa a escala nanomètrica, els electrons queden confinats en dues dimensions, cosa que augmenta significativament l'eficiència de la recombinació radiativa. Això resulta en làsers amb corrents llindar més baixos i una millor estabilitat tèrmica.
3Estructures de punts quàntics
Mitjançant tècniques d'autoacoblament, es formen nanoestructures zero-dimensionals, que proporcionen distribucions nítides de nivell d'energia. Aquestes estructures ofereixen característiques de guany i estabilitat de longitud d'ona millorades, cosa que les converteix en un punt calent de recerca per als làsers semiconductors d'alt rendiment de nova generació.
4. Què determina el medi de guany?
1.Longitud d'ona d'emissió
El bandgap del material determina el làser'longitud d'ona s. Per exemple, l'InGaAs és adequat per a làsers d'infraroig proper, mentre que l'InGaN s'utilitza per a làsers blaus o violetes.
2.Eficiència i potència
La mobilitat dels portadors i les taxes de recombinació no radiativa afecten l'eficiència de conversió òptica-elèctrica.
3Rendiment tèrmic
Diferents materials responen als canvis de temperatura de diverses maneres, cosa que influeix en la fiabilitat del làser en entorns industrials i militars.
④Resposta de modulació
El medi de guany influeix en el làser'la velocitat de resposta, que és crítica en aplicacions de comunicació d'alta velocitat.
5. Conclusió
En la complexa estructura dels làsers semiconductors, el medi de guany és realment el seu "cor".—no només és responsable de generar el làser, sinó també d'influir en la seva vida útil, estabilitat i escenaris d'aplicació. Des de la selecció de materials fins al disseny estructural, des del rendiment macroscòpic fins als mecanismes microscòpics, cada avenç en el medi de guany està impulsant la tecnologia làser cap a un major rendiment, aplicacions més àmplies i una exploració més profunda.
Amb els avenços continus en la ciència dels materials i la tecnologia de nanofabricació, s'espera que el medi de guany futur aporti una major brillantor, una cobertura de longitud d'ona més àmplia i solucions làser més intel·ligents.—desbloquejant més possibilitats per a la ciència, la indústria i la societat.
Data de publicació: 17 de juliol de 2025