Con il rapido progresso della tecnologia optoelettronica, i laser a semiconduttore sono diventati ampiamente utilizzati in vari campi come le telecomunicazioni, la medicina, l'industria di processo e il LiDAR, grazie alla loro elevata efficienza, alle dimensioni compatte e alla facilità di modulazione. Al centro di questa tecnologia si trova il mezzo di guadagno, che svolge un ruolo assolutamente vitale. Funge da“fonte di energia”che consente l'emissione stimolata e la generazione laser, determinando il laser'prestazioni, lunghezza d'onda e potenziale applicativo.
1. Che cos'è un mezzo di guadagno?
Come suggerisce il nome, un mezzo di guadagno è un materiale che fornisce amplificazione ottica. Quando eccitato da fonti di energia esterne (come l'iniezione elettrica o il pompaggio ottico), amplifica la luce incidente attraverso il meccanismo dell'emissione stimolata, generando un'emissione laser.
Nei laser a semiconduttore, il mezzo di guadagno è in genere composto dalla regione attiva nella giunzione PN, la cui composizione del materiale, struttura e metodi di drogaggio influiscono direttamente su parametri chiave quali corrente di soglia, lunghezza d'onda di emissione, efficienza e caratteristiche termiche.
2. Materiali di guadagno comuni nei laser a semiconduttore
I semiconduttori composti III-V sono i materiali di guadagno più comunemente utilizzati. Esempi tipici includono:
①GaAs (arseniuro di gallio)
Adatto per laser che emettono nell'850–Intervallo di 980 nm, ampiamente utilizzato nelle comunicazioni ottiche e nella stampa laser.
②InP (fosfuro di indio)
Utilizzato per l'emissione nelle bande da 1,3 µm e 1,55 µm, cruciali per le comunicazioni in fibra ottica.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Le loro composizioni possono essere regolate per ottenere diverse lunghezze d'onda, costituendo la base per la progettazione di laser a lunghezza d'onda sintonizzabile.
Questi materiali presentano in genere strutture a bandgap diretto, il che li rende altamente efficienti nella ricombinazione elettrone-lacuna con emissione di fotoni, ideali per l'uso nel mezzo di guadagno laser a semiconduttore.
3. Evoluzione delle strutture di guadagno
Con il progresso delle tecnologie di fabbricazione, le strutture di guadagno nei laser a semiconduttore si sono evolute dalle prime omogiunzioni alle eterogiunzioni, per poi arrivare alle configurazioni avanzate di pozzi quantici e punti quantici.
①Mezzo di guadagno di eterogiunzione
Combinando materiali semiconduttori con diversi bandgap, i portatori e i fotoni possono essere efficacemente confinati in regioni designate, migliorando l'efficienza di guadagno e riducendo la corrente di soglia.
②Strutture a pozzi quantici
Riducendo lo spessore della regione attiva a scala nanometrica, gli elettroni vengono confinati in due dimensioni, aumentando significativamente l'efficienza di ricombinazione radiativa. Ciò si traduce in laser con correnti di soglia più basse e una migliore stabilità termica.
③Strutture a punti quantici
Utilizzando tecniche di autoassemblaggio, si formano nanostrutture a zero dimensioni, che forniscono distribuzioni nette dei livelli energetici. Queste strutture offrono caratteristiche di guadagno migliorate e stabilità della lunghezza d'onda, rendendole un punto di riferimento per la ricerca sui laser a semiconduttore ad alte prestazioni di nuova generazione.
4. Cosa determina il mezzo di guadagno?
①Lunghezza d'onda di emissione
Il bandgap del materiale determina il laser'lunghezza d'onda s. Ad esempio, l'InGaAs è adatto per i laser nel vicino infrarosso, mentre l'InGaN è utilizzato per i laser blu o viola.
②Efficienza e potenza
La mobilità dei portatori e i tassi di ricombinazione non radiativa influenzano l'efficienza della conversione ottica-elettrica.
③Prestazioni termiche
I diversi materiali rispondono in modi diversi alle variazioni di temperatura, influenzando l'affidabilità del laser in ambienti industriali e militari.
④Risposta di modulazione
Il mezzo di guadagno influenza il laser'la velocità di risposta, che è fondamentale nelle applicazioni di comunicazione ad alta velocità.
5. Conclusion
Nella complessa struttura dei laser a semiconduttore, il mezzo di guadagno è il vero e proprio “cuore”—Non solo è responsabile della generazione del laser, ma ne influenza anche la durata, la stabilità e gli scenari applicativi. Dalla selezione dei materiali alla progettazione strutturale, dalle prestazioni macroscopiche ai meccanismi microscopici, ogni innovazione nel mezzo di guadagno sta guidando la tecnologia laser verso prestazioni più elevate, applicazioni più ampie e un'esplorazione più approfondita.
Grazie ai continui progressi nella scienza dei materiali e nella tecnologia di nanofabbricazione, si prevede che i futuri mezzi di guadagno offriranno maggiore luminosità, una copertura di lunghezza d'onda più ampia e soluzioni laser più intelligenti.—aprendo nuove possibilità per la scienza, l'industria e la società.
Data di pubblicazione: 17-lug-2025