Med den raske utviklingen av optoelektronisk teknologi har halvlederlasere blitt mye brukt innen ulike felt som telekommunikasjon, medisin, industriell prosessering og LiDAR, takket være deres høye effektivitet, kompakte størrelse og enkle modulering. Kjernen i denne teknologien ligger forsterkningsmediet, som spiller en helt avgjørende rolle. Det fungerer som«energikilde«som muliggjør stimulert emisjon og lasergenerering, og bestemmer laseren's ytelse, bølgelengde og anvendelsespotensial.
1. Hva er et forsterkningsmedium?
Som navnet antyder, er et forsterkningsmedium et materiale som gir optisk forsterkning. Når det eksiteres av eksterne energikilder (som elektrisk injeksjon eller optisk pumping), forsterker det innfallende lys gjennom mekanismen for stimulert emisjon, noe som fører til laserutgang.
I halvlederlasere består forsterkningsmediet vanligvis av det aktive området ved PN-krysset, hvis materialsammensetning, struktur og dopingmetoder direkte påvirker viktige parametere som terskelstrøm, emisjonsbølgelengde, effektivitet og termiske egenskaper.
2. Vanlige forsterkningsmaterialer i halvlederlasere
III-V-forbindelseshalvledere er de mest brukte forsterkningsmaterialene. Typiske eksempler inkluderer:
①GaAs (galliumarsenid)
Egnet for lasere som sender ut i 850–980 nm rekkevidde, mye brukt i optisk kommunikasjon og laserutskrift.
②InP (indiumfosfid)
Brukes for utslipp i 1,3 µm- og 1,55 µm-båndene, avgjørende for fiberoptisk kommunikasjon.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Komposisjonene deres kan innstilles for å oppnå forskjellige bølgelengder, noe som danner grunnlaget for laserdesign med avstembar bølgelengde.
Disse materialene har vanligvis direkte båndgapstrukturer, noe som gjør dem svært effektive ved elektron-hull-rekombinasjon med fotonemisjon, ideelt for bruk i halvlederlaserforsterkningsmedium.
3. Utviklingen av forsterkningsstrukturer
Etter hvert som fabrikasjonsteknologiene har utviklet seg, har forsterkningsstrukturer i halvlederlasere utviklet seg fra tidlige homojunksjoner til heterojunksjoner, og videre til avanserte kvantebrønn- og kvanteprikkkonfigurasjoner.
①Heterojunksjonsforsterkning Medium
Ved å kombinere halvledermaterialer med forskjellige båndgap, kan bærere og fotoner effektivt begrenses i bestemte områder, noe som forbedrer forsterkningseffektiviteten og reduserer terskelstrømmen.
②Kvantebrønnstrukturer
Ved å redusere tykkelsen på det aktive området til nanometerskalaen, begrenses elektronene i to dimensjoner, noe som øker effektiviteten av radiativ rekombinasjon betydelig. Dette resulterer i lasere med lavere terskelstrømmer og bedre termisk stabilitet.
③Kvantepunktstrukturer
Ved hjelp av selvmonteringsteknikker dannes nulldimensjonale nanostrukturer, som gir skarpe energinivåfordelinger. Disse strukturene tilbyr forbedrede forsterkningsegenskaper og bølgelengdestabilitet, noe som gjør dem til et forskningsfokus for neste generasjons høyytelses halvlederlasere.
4. Hva bestemmer forsterkningsmediet?
①Emisjonsbølgelengde
Materialets båndgap bestemmer laseren's bølgelengde. For eksempel er InGaAs egnet for nær-infrarøde lasere, mens InGaN brukes for blå eller fiolette lasere.
②Effektivitet og kraft
Bærermobilitet og ikke-strålende rekombinasjonshastigheter påvirker den optisk-til-elektriske konverteringseffektiviteten.
③Termisk ytelse
Ulike materialer reagerer på temperaturendringer på ulike måter, noe som påvirker laserens pålitelighet i industrielle og militære miljøer.
④Modulasjonsrespons
Forsterkningsmediet påvirker laseren's responshastighet, noe som er avgjørende i høyhastighetskommunikasjonsapplikasjoner.
5. Konklusjon
I den komplekse strukturen til halvlederlasere er forsterkningsmediet virkelig dens «hjerte».—ikke bare ansvarlig for å generere laseren, men også for å påvirke dens levetid, stabilitet og bruksområder. Fra materialvalg til strukturell design, fra makroskopisk ytelse til mikroskopiske mekanismer, driver hvert gjennombrudd innen forsterkningsmedium laserteknologi mot bedre ytelse, bredere bruksområder og dypere utforskning.
Med kontinuerlige fremskritt innen materialvitenskap og nanofabrikasjonsteknologi forventes fremtidige forsterkningsmedier å gi høyere lysstyrke, bredere bølgelengdedekning og smartere laserløsninger.—åpner for flere muligheter for vitenskap, industri og samfunn.
Publisert: 17. juli 2025