Με την ραγδαία πρόοδο της οπτοηλεκτρονικής τεχνολογίας, τα ημιαγωγικά λέιζερ έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως σε διάφορους τομείς όπως οι τηλεπικοινωνίες, η ιατρική, η βιομηχανική επεξεργασία και το LiDAR, χάρη στην υψηλή τους απόδοση, το συμπαγές μέγεθος και την ευκολία διαμόρφωσης. Στον πυρήνα αυτής της τεχνολογίας βρίσκεται το μέσο κέρδους, το οποίο παίζει απολύτως ζωτικό ρόλο. Χρησιμεύει ως το«πηγή ενέργειας"που επιτρέπει την παραγωγή διεγερμένης εκπομπής και λέιζερ, προσδιορίζοντας το λέιζερ«απόδοση, μήκος κύματος και δυνατότητες εφαρμογής.
1. Τι είναι ένα μέσο κέρδους;
Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένα μέσο κέρδους είναι ένα υλικό που παρέχει οπτική ενίσχυση. Όταν διεγείρεται από εξωτερικές πηγές ενέργειας (όπως ηλεκτρική έγχυση ή οπτική άντληση), ενισχύει το προσπίπτον φως μέσω του μηχανισμού της διεγερμένης εκπομπής, οδηγώντας σε έξοδο λέιζερ.
Στα λέιζερ ημιαγωγών, το μέσο κέρδους αποτελείται συνήθως από την ενεργό περιοχή στην επαφή PN, της οποίας η σύνθεση του υλικού, η δομή και οι μέθοδοι πρόσμιξης επηρεάζουν άμεσα βασικές παραμέτρους όπως το ρεύμα κατωφλίου, το μήκος κύματος εκπομπής, η απόδοση και τα θερμικά χαρακτηριστικά.
2. Κοινά υλικά κέρδους σε ημιαγωγικά λέιζερ
Οι σύνθετοι ημιαγωγοί III-V είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα υλικά κέρδους. Τυπικά παραδείγματα περιλαμβάνουν:
①GaAs (αρσενίδιο γαλλίου)
Κατάλληλο για λέιζερ που εκπέμπουν στο 850–Εύρος 980 nm, που χρησιμοποιείται ευρέως στις οπτικές επικοινωνίες και την εκτύπωση λέιζερ.
②InP (Φωσφίδιο του ινδίου)
Χρησιμοποιείται για εκπομπή στις ζώνες 1,3 µm και 1,55 µm, κάτι που είναι κρίσιμο για τις επικοινωνίες οπτικών ινών.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Οι συνθέσεις τους μπορούν να ρυθμιστούν για να επιτευχθούν διαφορετικά μήκη κύματος, αποτελώντας τη βάση για σχέδια λέιζερ ρυθμιζόμενου μήκους κύματος.
Αυτά τα υλικά συνήθως διαθέτουν δομές άμεσου ενεργειακού χάσματος, καθιστώντας τα εξαιρετικά αποτελεσματικά στον ανασυνδυασμό ηλεκτρονίων-οπών με εκπομπή φωτονίων, ιδανικά για χρήση σε μέσο κέρδους λέιζερ ημιαγωγών.
3. Εξέλιξη των Δομών Κέρδους
Καθώς οι τεχνολογίες κατασκευής έχουν προχωρήσει, οι δομές κέρδους στα λέιζερ ημιαγωγών έχουν εξελιχθεί από πρώιμες ομοεπαφές σε ετεροεπαφές και περαιτέρω σε προηγμένες διαμορφώσεις κβαντικών φρεατίων και κβαντικών κουκκίδων.
①Μέσο κέρδους ετεροεπαφής
Συνδυάζοντας ημιαγωγικά υλικά με διαφορετικά ενεργειακά κενά, οι φορείς και τα φωτόνια μπορούν να περιοριστούν αποτελεσματικά σε καθορισμένες περιοχές, ενισχύοντας την απόδοση κέρδους και μειώνοντας το ρεύμα κατωφλίου.
②Δομές Κβαντικών Πηγαδιών
Μειώνοντας το πάχος της ενεργής περιοχής σε νανομετρική κλίμακα, τα ηλεκτρόνια περιορίζονται σε δύο διαστάσεις, αυξάνοντας σημαντικά την απόδοση του ακτινοβολικού ανασυνδυασμού. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα λέιζερ με χαμηλότερα ρεύματα κατωφλίου και καλύτερη θερμική σταθερότητα.
③Δομές Κβαντικών Κουκκίδων
Χρησιμοποιώντας τεχνικές αυτοσυναρμολόγησης, σχηματίζονται νανοδομές μηδενικών διαστάσεων, παρέχοντας ευκρινείς κατανομές ενεργειακών επιπέδων. Αυτές οι δομές προσφέρουν βελτιωμένα χαρακτηριστικά κέρδους και σταθερότητα μήκους κύματος, καθιστώντας τες ένα ερευνητικό hotspot για λέιζερ ημιαγωγών υψηλής απόδοσης επόμενης γενιάς.
4. Τι καθορίζει το μέσο κέρδους;
①Μήκος κύματος εκπομπής
Το ενεργειακό χάσμα του υλικού καθορίζει το λέιζερ«μήκος κύματος s. Για παράδειγμα, το InGaAs είναι κατάλληλο για λέιζερ εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας, ενώ το InGaN χρησιμοποιείται για μπλε ή ιώδη λέιζερ.
②Αποδοτικότητα & Ισχύς
Η κινητικότητα των φορέων και οι ρυθμοί μη ακτινοβολικού ανασυνδυασμού επηρεάζουν την απόδοση μετατροπής από οπτικό σε ηλεκτρικό σήμα.
③Θερμική Απόδοση
Διαφορετικά υλικά αντιδρούν στις αλλαγές θερμοκρασίας με διάφορους τρόπους, επηρεάζοντας την αξιοπιστία του λέιζερ σε βιομηχανικά και στρατιωτικά περιβάλλοντα.
④Απόκριση διαμόρφωσης
Το μέσο κέρδους επηρεάζει το λέιζερ«ταχύτητα απόκρισης, η οποία είναι κρίσιμη σε εφαρμογές επικοινωνίας υψηλής ταχύτητας.
5. Συμπέρασμα
Στη σύνθετη δομή των ημιαγωγικών λέιζερ, το μέσο κέρδους είναι πραγματικά η «καρδιά» τους.—όχι μόνο υπεύθυνο για την παραγωγή του λέιζερ αλλά και για την επίδραση στη διάρκεια ζωής, τη σταθερότητά του και τα σενάρια εφαρμογής του. Από την επιλογή υλικού έως τον δομικό σχεδιασμό, από τη μακροσκοπική απόδοση έως τους μικροσκοπικούς μηχανισμούς, κάθε σημαντική ανακάλυψη στο μέσο κέρδους οδηγεί την τεχνολογία λέιζερ προς μεγαλύτερη απόδοση, ευρύτερες εφαρμογές και βαθύτερη εξερεύνηση.
Με τις συνεχείς εξελίξεις στην επιστήμη των υλικών και την τεχνολογία νανοκατασκευής, τα μελλοντικά μέσα ενίσχυσης αναμένεται να προσφέρουν υψηλότερη φωτεινότητα, ευρύτερη κάλυψη μήκους κύματος και πιο έξυπνες λύσεις λέιζερ.—ξεκλειδώνοντας περισσότερες δυνατότητες για την επιστήμη, τη βιομηχανία και την κοινωνία.
Ώρα δημοσίευσης: 17 Ιουλίου 2025