Благодаря стремительному развитию оптоэлектронных технологий, полупроводниковые лазеры получили широкое применение в различных областях, таких как телекоммуникации, медицина, промышленная обработка и LiDAR, благодаря своей высокой эффективности, компактным размерам и простоте модуляции. В основе этой технологии лежит активная среда, играющая абсолютно важную роль. Она служит в качестве«источник энергии”что обеспечивает стимулированное излучение и генерацию лазерного излучения, определяя лазерную характеристику.'характеристики, длина волны и потенциал применения.
1. Что такое усиливающая среда?
Как следует из названия, усиливающая среда — это материал, обеспечивающий оптическое усиление. При возбуждении внешними источниками энергии (такими как электрическая инжекция или оптическая накачка) она усиливает падающий свет посредством механизма стимулированного излучения, что приводит к лазерному излучению.
В полупроводниковых лазерах активная среда обычно состоит из активной области на PN-переходе, материальный состав, структура и методы легирования которой напрямую влияют на ключевые параметры, такие как пороговый ток, длина волны излучения, эффективность и тепловые характеристики.
2. Распространенные материалы усиления в полупроводниковых лазерах
Полупроводники на основе соединений III-V групп являются наиболее часто используемыми материалами усиления. Типичные примеры включают:
①GaAs (арсенид галлия)
Подходит для лазеров, излучающих в диапазоне 850 нм.–Диапазон 980 нм, широко используемый в оптической связи и лазерной печати.
②InP (фосфид индия)
Используется для излучения в диапазонах 1,3 мкм и 1,55 мкм, что имеет решающее значение для волоконно-оптической связи.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Их состав можно настраивать для получения различных длин волн, что составляет основу для создания лазеров с перестраиваемой длиной волны.
Эти материалы, как правило, обладают прямой зонной структурой, что делает их высокоэффективными в рекомбинации электронов и дырок с испусканием фотонов, идеально подходящими для использования в полупроводниковых лазерных средах усиления.
3. Эволюция структур усиления
По мере развития технологий изготовления структуры усиления в полупроводниковых лазерах эволюционировали от ранних гомопереходов к гетеропереходам, а затем и к более совершенным конфигурациям квантовых ям и квантовых точек.
①Гетеропереходная среда усиления
Комбинируя полупроводниковые материалы с различной шириной запрещенной зоны, можно эффективно локализовать носители заряда и фотоны в заданных областях, повышая эффективность усиления и снижая пороговый ток.
②Структуры квантовых ям
Уменьшение толщины активной области до нанометрового масштаба позволяет локализовать электроны в двух измерениях, что значительно повышает эффективность радиационной рекомбинации. Это приводит к созданию лазеров с более низкими пороговыми токами и лучшей термической стабильностью.
③Структуры квантовых точек
С помощью методов самосборки формируются нульмерные наноструктуры, обеспечивающие резкое распределение энергетических уровней. Эти структуры обладают улучшенными характеристиками усиления и стабильностью длины волны, что делает их перспективным направлением исследований для высокопроизводительных полупроводниковых лазеров следующего поколения.
4. Что определяет усиливающая среда?
①Длина волны излучения
Ширина запрещенной зоны материала определяет характеристики лазера.'длина волны. Например, InGaAs подходит для лазеров ближнего инфракрасного диапазона, а InGaN используется для лазеров синего или фиолетового диапазона.
②Эффективность и мощность
Подвижность носителей заряда и скорость нерадиационной рекомбинации влияют на эффективность преобразования оптического излучения в электрическое.
③Тепловые характеристики
Различные материалы по-разному реагируют на изменения температуры, что влияет на надежность работы лазера в промышленных и военных условиях.
④Модуляционный отклик
Усиливающая среда влияет на лазерный луч.'скорость отклика, что имеет решающее значение в высокоскоростных коммуникационных приложениях.
5. Заключение
В сложной структуре полупроводниковых лазеров среда усиления действительно является его «сердцем».—Они отвечают не только за генерацию лазерного излучения, но и за его срок службы, стабильность и сценарии применения. От выбора материалов до проектирования конструкции, от макроскопических характеристик до микроскопических механизмов, каждый прорыв в области активной среды продвигает лазерные технологии к повышению производительности, расширению областей применения и более глубоким исследованиям.
Благодаря постоянному развитию материаловедения и нанотехнологий, ожидается, что будущие активные среды обеспечат более высокую яркость, более широкий диапазон длин волн и более интеллектуальные лазерные решения.—Раскрывая новые возможности для науки, промышленности и общества.
Дата публикации: 17 июля 2025 г.