Благодаря стремительному развитию оптоэлектронных технологий полупроводниковые лазеры нашли широкое применение в различных областях, таких как телекоммуникации, медицина, промышленная обработка и лидары, благодаря своей высокой эффективности, компактности и простоте модуляции. В основе этой технологии лежит среда усиления, играющая важнейшую роль. Она служит«источник энергии”что позволяет стимулировать излучение и генерацию лазера, определяя лазер'производительность, длина волны и потенциал применения.
1. Что такое среда усиления?
Как следует из названия, усиливающая среда — это материал, обеспечивающий оптическое усиление. При возбуждении внешним источником энергии (например, электрической инжекцией или оптической накачкой) она усиливает падающий свет посредством механизма вынужденного излучения, что приводит к генерации лазера.
В полупроводниковых лазерах активная среда обычно состоит из активной области в PN-переходе, состав материала, структура и методы легирования которой напрямую влияют на ключевые параметры, такие как пороговый ток, длина волны излучения, эффективность и тепловые характеристики.
2. Распространенные усиливающие материалы в полупроводниковых лазерах
Наиболее распространенными усилительными материалами являются соединения III-V. Типичные примеры:
①GaAs (арсенид галлия)
Подходит для лазеров с излучением в диапазоне 850–Диапазон 980 нм широко используется в оптической связи и лазерной печати.
②InP (фосфид индия)
Используется для излучения в диапазонах 1,3 мкм и 1,55 мкм, имеющих решающее значение для волоконно-оптической связи.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Их состав можно настраивать для получения различных длин волн, что составляет основу конструкций лазеров с перестраиваемой длиной волны.
Эти материалы обычно характеризуются прямозонной структурой, что делает их высокоэффективными при рекомбинации электронов и дырок с испусканием фотонов, что идеально подходит для использования в качестве активной среды полупроводниковых лазеров.
3. Эволюция структур усиления
По мере развития технологий производства усилительные структуры в полупроводниковых лазерах претерпели эволюцию от ранних гомопереходов к гетеропереходам и далее к усовершенствованным конфигурациям квантовых ям и квантовых точек.
①Среда усиления гетероперехода
Комбинируя полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны, можно эффективно ограничивать носители заряда и фотоны в определенных областях, повышая эффективность усиления и снижая пороговый ток.
②Структуры с квантовыми ямами
Уменьшение толщины активной области до нанометрового уровня позволяет ограничить электроны в двух измерениях, что значительно повышает эффективность излучательной рекомбинации. Это приводит к созданию лазеров с более низкими пороговыми токами и лучшей термостабильностью.
③Структуры квантовых точек
Используя методы самосборки, формируются нульмерные наноструктуры, обеспечивающие резкое распределение уровней энергии. Эти структуры обладают улучшенными характеристиками усиления и стабильностью длины волны, что делает их перспективными для исследований в области высокопроизводительных полупроводниковых лазеров нового поколения.
4. Что определяет среда усиления?
①Длина волны излучения
Ширина запрещенной зоны материала определяет лазер'Длина волны s. Например, InGaAs подходит для лазеров ближнего инфракрасного диапазона, а InGaN — для синих или фиолетовых лазеров.
②Эффективность и мощность
Подвижность носителей заряда и скорость безызлучательной рекомбинации влияют на эффективность опто-электрического преобразования.
③Тепловые характеристики
Различные материалы по-разному реагируют на изменения температуры, что влияет на надежность лазера в промышленных и военных условиях.
④Модуляционный отклик
Среда усиления влияет на лазер'скорость реагирования, которая имеет решающее значение в высокоскоростных коммуникационных приложениях.
5. Заключение
В сложной структуре полупроводниковых лазеров активная среда является поистине ее «сердцем».—Не только обеспечивает генерацию лазера, но и влияет на его срок службы, стабильность и области применения. От выбора материалов до проектирования конструкции, от макроскопических характеристик до микроскопических механизмов — каждый прорыв в области создания активных сред ведёт лазерную технологию к повышению производительности, расширению областей применения и более глубокому изучению.
Благодаря постоянному прогрессу в материаловедении и технологиях нанопроизводства ожидается, что будущие среды усиления обеспечат более высокую яркость, более широкий диапазон длин волн и более интеллектуальные лазерные решения.—открывая больше возможностей для науки, промышленности и общества.
Время публикации: 17 июля 2025 г.