Optoelektronisen teknologian nopean kehityksen myötä puolijohdelasereita on käytetty laajalti useilla aloilla, kuten televiestinnässä, lääketieteessä, teollisuudessa ja LiDARissa, niiden korkean hyötysuhteen, kompaktin koon ja helpon moduloinnin ansiosta. Tämän teknologian ytimessä on vahvistusväliaine, jolla on ehdottoman tärkeä rooli. Se toimii”energialähde”joka mahdollistaa stimuloidun emission ja laserin generoinnin, määrittäen laserin'suorituskyky, aallonpituus ja sovelluspotentiaali.
1. Mikä on vahvistusväline?
Kuten nimestä voi päätellä, vahvistusväliaine on materiaali, joka tarjoaa optisen vahvistuksen. Ulkoisten energialähteiden (kuten sähköisen injektion tai optisen pumppauksen) virittämänä se vahvistaa tulevaa valoa stimuloidun emission mekanismin avulla, mikä johtaa lasersäteeseen.
Puolijohdelasereissa vahvistusväliaine koostuu tyypillisesti PN-liitoksen aktiivisesta alueesta, jonka materiaalikoostumus, rakenne ja dopingmenetelmät vaikuttavat suoraan keskeisiin parametreihin, kuten kynnysvirtaan, emissioaallonpituuteen, hyötysuhteeseen ja lämpöominaisuuksiin.
2. Yleisiä vahvistusmateriaaleja puolijohdelasereissa
III-V-yhdistepuolijohteet ovat yleisimmin käytettyjä vahvistusmateriaaleja. Tyypillisiä esimerkkejä ovat:
①GaAs (gallium-arsenidi)
Sopii lasereille, jotka lähettävät 850:tä–980 nm:n alue, jota käytetään laajalti optisessa viestinnässä ja lasertulostuksessa.
②InP (indiumfosfidi)
Käytetään 1,3 µm:n ja 1,55 µm:n kaistan säteilyyn, mikä on ratkaisevan tärkeää kuituoptisessa viestinnässä.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Niiden koostumuksia voidaan virittää eri aallonpituuksien saavuttamiseksi, mikä muodostaa perustan viritettävien aallonpituuksien lasereille.
Näillä materiaaleilla on tyypillisesti suorat kaistanleveysrakenteet, mikä tekee niistä erittäin tehokkaita elektroni-aukko-rekombinaatiossa fotoniemissiolla, ja ne sopivat erinomaisesti käytettäväksi puolijohdelaserien vahvistusväliaineessa.
3. Vahvistusrakenteiden kehitys
Valmistustekniikoiden kehittyessä puolijohdelasereiden vahvistusrakenteet ovat kehittyneet varhaisista homoliitoksista heteroliitoksiin ja edelleen edistyneisiin kvanttikaivo- ja kvanttipistekonfiguraatioihin.
①Heteroliitoksen vahvistus keskitasoa
Yhdistämällä puolijohdemateriaaleja, joilla on erilaiset kaistanleveydet, varauksenkuljettajat ja fotonit voidaan tehokkaasti rajoittaa määrätyille alueille, mikä parantaa vahvistustehokkuutta ja vähentää kynnysvirtaa.
②Kvanttikaivojen rakenteet
Pienentämällä aktiivisen alueen paksuutta nanometrimittakaavaan elektronit rajoittuvat kahteen ulottuvuuteen, mikä lisää merkittävästi säteilyn rekombinaatiotehokkuutta. Tämä johtaa lasereihin, joilla on alhaisemmat kynnysvirrat ja parempi lämpöstabiilius.
③Kvanttipisteiden rakenteet
Itsejärjestäytymistekniikoita käyttämällä muodostetaan nollaulotteisia nanorakenteita, jotka tarjoavat teräviä energiatasojakaumia. Nämä rakenteet tarjoavat parannetut vahvistusominaisuudet ja aallonpituuden vakauden, mikä tekee niistä tutkimuskohteen seuraavan sukupolven tehokkaille puolijohdelasereille.
4. Mitä vahvistusväliaine määrittää?
①Emissioaallonpituus
Materiaalin kaistavyön leveys määrää laserin's-aallonpituus. Esimerkiksi InGaAs soveltuu lähi-infrapunalasereille, kun taas InGaN:ää käytetään sinisille tai violeteille lasereille.
②Tehokkuus ja teho
Kuljettajien liikkuvuus ja ei-säteilevät rekombinaationopeudet vaikuttavat optisen-sähköisen muuntamisen hyötysuhteeseen.
③Lämpötehokkuus
Eri materiaalit reagoivat lämpötilan muutoksiin eri tavoin, mikä vaikuttaa laserin luotettavuuteen teollisuus- ja sotilasympäristöissä.
④Modulaatiovaste
Vahvistusväliaine vaikuttaa laseriin'vasteaika, joka on kriittistä nopeissa tietoliikennesovelluksissa.
5. Johtopäätös
Puolijohdelasereiden monimutkaisessa rakenteessa vahvistusväliaine on todellakin sen "sydän"—ei ainoastaan vastaa laserin generoinnista, vaan myös vaikuttaa sen käyttöikään, vakauteen ja sovellusskenaarioihin. Materiaalivalinnasta rakennesuunnitteluun, makroskooppisesta suorituskyvystä mikroskooppisiin mekanismeihin, jokainen läpimurto vahvistusväliaineessa vie laserteknologiaa kohti parempaa suorituskykyä, laajempia sovelluksia ja syvällisempää tutkimusta.
Materiaalitieteen ja nanoteknologian jatkuvan kehityksen myötä tulevaisuuden vahvistusväliaineiden odotetaan tuovan suurempaa kirkkautta, laajempaa aallonpituusaluetta ja älykkäämpiä laserratkaisuja.—avaamalla lisää mahdollisuuksia tieteelle, teollisuudelle ja yhteiskunnalle.
Julkaisuaika: 17.7.2025