Med den hurtige udvikling inden for optoelektronisk teknologi er halvlederlasere blevet meget udbredt inden for forskellige områder såsom telekommunikation, medicin, industriel forarbejdning og LiDAR takket være deres høje effektivitet, kompakte størrelse og lette modulering. Kernen i denne teknologi ligger forstærkningsmediet, som spiller en absolut afgørende rolle. Det fungerer som ..."energikilde"der muliggør stimuleret emission og lasergenerering, hvilket bestemmer laseren's ydeevne, bølgelængde og anvendelsespotentiale.
1. Hvad er et forstærkningsmedium?
Som navnet antyder, er et forstærkningsmedium et materiale, der giver optisk forstærkning. Når det exciteres af eksterne energikilder (såsom elektrisk injektion eller optisk pumpning), forstærker det indfaldende lys gennem mekanismen for stimuleret emission, hvilket fører til laseroutput.
I halvlederlasere består forstærkningsmediet typisk af det aktive område ved PN-forbindelsen, hvis materialesammensætning, struktur og dopingmetoder direkte påvirker nøgleparametre som tærskelstrøm, emissionsbølgelængde, effektivitet og termiske egenskaber.
2. Almindelige forstærkningsmaterialer i halvlederlasere
III-V-forbindelseshalvledere er de mest almindeligt anvendte forstærkningsmaterialer. Typiske eksempler inkluderer:
①GaAs (galliumarsenid)
Velegnet til lasere, der udsender i 850–980 nm område, meget anvendt i optisk kommunikation og laserprintning.
②InP (indiumphosphid)
Anvendes til emission i 1,3 µm og 1,55 µm båndene, afgørende for fiberoptisk kommunikation.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Deres sammensætninger kan justeres for at opnå forskellige bølgelængder, hvilket danner grundlag for laserdesigns med justerbar bølgelængde.
Disse materialer har typisk direkte båndgabsstrukturer, hvilket gør dem yderst effektive til elektron-hul-rekombination med fotonemission, ideelle til brug i halvlederlaserforstærkningsmedier.
3. Udviklingen af forstærkningsstrukturer
Efterhånden som fremstillingsteknologierne har udviklet sig, har forstærkningsstrukturer i halvlederlasere udviklet sig fra tidlige homojunctions til heterojunctions og videre til avancerede kvantebrønd- og kvantepunktkonfigurationer.
①Heterojunction Gain Medium
Ved at kombinere halvledermaterialer med forskellige båndgab kan bærere og fotoner effektivt begrænses i udpegede områder, hvilket forbedrer forstærkningseffektiviteten og reducerer tærskelstrømmen.
②Kvantebrøndstrukturer
Ved at reducere tykkelsen af det aktive område til nanometerskalaen, begrænses elektronerne i to dimensioner, hvilket øger effektiviteten af radiativ rekombination betydeligt. Dette resulterer i lasere med lavere tærskelstrømme og bedre termisk stabilitet.
③Kvantepunktstrukturer
Ved hjælp af selv-assembleringsteknikker dannes nul-dimensionelle nanostrukturer, der giver skarpe energiniveaufordelinger. Disse strukturer tilbyder forbedrede forstærkningsegenskaber og bølgelængdestabilitet, hvilket gør dem til et forskningscenter for næste generations højtydende halvlederlasere.
4. Hvad bestemmer forstærkningsmediet?
①Emissionsbølgelængde
Materialets båndgab bestemmer laseren's bølgelængde. For eksempel er InGaAs egnet til nær-infrarøde lasere, mens InGaN bruges til blå eller violette lasere.
②Effektivitet og kraft
Bærermobilitet og ikke-radiative rekombinationshastigheder påvirker den optisk-til-elektriske konverteringseffektivitet.
③Termisk ydeevne
Forskellige materialer reagerer på temperaturændringer på forskellige måder, hvilket påvirker laserens pålidelighed i industrielle og militære miljøer.
④Modulationsrespons
Forstærkningsmediet påvirker laseren's responshastighed, hvilket er afgørende i højhastighedskommunikationsapplikationer.
5. Konklusion
I den komplekse struktur af halvlederlasere er forstærkningsmediet i sandhed dets "hjerte".—ikke kun ansvarlig for at generere laseren, men også for at påvirke dens levetid, stabilitet og anvendelsesscenarier. Fra materialevalg til strukturelt design, fra makroskopisk ydeevne til mikroskopiske mekanismer, driver ethvert gennembrud inden for forstærkningsmedium laserteknologi mod større ydeevne, bredere anvendelser og dybere udforskning.
Med løbende fremskridt inden for materialevidenskab og nanofabrikationsteknologi forventes fremtidige forstærkningsmedier at bringe højere lysstyrke, bredere bølgelængdedækning og smartere laserløsninger.—åbner op for flere muligheder for videnskab, industri og samfund.
Opslagstidspunkt: 17. juli 2025