Dengan kemajuan pesat teknologi optoelektronik, laser semikonduktor telah digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang seperti telekomunikasi, perubatan, pemprosesan perindustrian dan LiDAR, hasil daripada kecekapannya yang tinggi, saiz yang padat dan kemudahan modulasi. Teras teknologi ini terletaknya medium gandaan, yang memainkan peranan yang sangat penting. Ia berfungsi sebagai"sumber tenaga"yang membolehkan pancaran terangsang dan penjanaan laser, menentukan laser'prestasi, panjang gelombang dan potensi aplikasi.
1. Apakah Medium Keuntungan?
Seperti namanya, medium gandaan ialah bahan yang menyediakan penguatan optik. Apabila diujakan oleh sumber tenaga luaran (seperti suntikan elektrik atau pam optik), ia menguatkan cahaya datang melalui mekanisme pancaran yang dirangsang, yang membawa kepada output laser.
Dalam laser semikonduktor, medium gandaan biasanya terdiri daripada kawasan aktif di simpang PN, yang komposisi bahan, struktur dan kaedah pendopannya memberi kesan langsung kepada parameter utama seperti arus ambang, panjang gelombang pancaran, kecekapan dan ciri-ciri terma.
2. Bahan Gandaan Biasa dalam Laser Semikonduktor
Semikonduktor sebatian III-V merupakan bahan gandaan yang paling biasa digunakan. Contoh-contoh tipikal termasuk:
①GaAs (Galium Arsenida)
Sesuai untuk laser yang dipancarkan dalam 850–Julat 980 nm, digunakan secara meluas dalam komunikasi optik dan percetakan laser.
②InP (Indium Fosfida)
Digunakan untuk pancaran dalam jalur 1.3 µm dan 1.55 µm, penting untuk komunikasi gentian optik.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Komposisi mereka boleh ditala untuk mencapai panjang gelombang yang berbeza, membentuk asas untuk reka bentuk laser panjang gelombang yang boleh ditala.
Bahan-bahan ini biasanya mempunyai struktur celah jalur langsung, menjadikannya sangat cekap pada penggabungan semula lubang elektron dengan pancaran foton, sesuai untuk digunakan dalam medium penguatan laser semikonduktor.
3. Evolusi Struktur Keuntungan
Seiring dengan kemajuan teknologi fabrikasi, struktur gandaan dalam laser semikonduktor telah berkembang daripada homosimpang awal kepada heterosimpang, dan seterusnya kepada konfigurasi telaga kuantum dan titik kuantum yang lebih maju.
①Medium Keuntungan Heterojunction
Dengan menggabungkan bahan semikonduktor dengan jurang jalur yang berbeza, pembawa dan foton boleh dikurung secara berkesan di kawasan yang ditetapkan, meningkatkan kecekapan gandaan dan mengurangkan arus ambang.
②Struktur Telaga Kuantum
Dengan mengurangkan ketebalan kawasan aktif kepada skala nanometer, elektron terkurung dalam dua dimensi, sekali gus meningkatkan kecekapan penggabungan semula radiasi dengan ketara. Ini menghasilkan laser dengan arus ambang yang lebih rendah dan kestabilan terma yang lebih baik.
③Struktur Titik Kuantum
Menggunakan teknik pemasangan kendiri, struktur nano dimensi sifar terbentuk, memberikan taburan aras tenaga yang tajam. Struktur ini menawarkan ciri-ciri gandaan yang dipertingkatkan dan kestabilan panjang gelombang, menjadikannya hotspot penyelidikan untuk laser semikonduktor berprestasi tinggi generasi akan datang.
4. Apakah yang Ditentukan oleh Medium Gain?
①Panjang Gelombang Pelepasan
Jurang jalur bahan menentukan laser'panjang gelombang s. Contohnya, InGaAs sesuai untuk laser inframerah dekat, manakala InGaN digunakan untuk laser biru atau ungu.
②Kecekapan & Kuasa
Mobiliti pembawa dan kadar penggabungan semula bukan radiasi mempengaruhi kecekapan penukaran optik kepada elektrik.
③Prestasi Terma
Bahan yang berbeza bertindak balas terhadap perubahan suhu dalam pelbagai cara, mempengaruhi kebolehpercayaan laser dalam persekitaran perindustrian dan ketenteraan.
④Respons Modulasi
Medium gandaan mempengaruhi laser'kelajuan tindak balas, yang penting dalam aplikasi komunikasi berkelajuan tinggi.
5. Kesimpulan
Dalam struktur kompleks laser semikonduktor, medium gandaan sebenarnya adalah "jantungnya"—bukan sahaja bertanggungjawab untuk menjana laser tetapi juga untuk mempengaruhi jangka hayat, kestabilan dan senario aplikasinya. Daripada pemilihan bahan kepada reka bentuk struktur, daripada prestasi makroskopik kepada mekanisme mikroskopik, setiap kejayaan dalam medium gandaan memacu teknologi laser ke arah prestasi yang lebih tinggi, aplikasi yang lebih luas dan penerokaan yang lebih mendalam.
Dengan kemajuan berterusan dalam sains bahan dan teknologi nanofabrikasi, medium gandaan masa hadapan dijangka membawa kecerahan yang lebih tinggi, liputan panjang gelombang yang lebih luas dan penyelesaian laser yang lebih pintar.—membuka lebih banyak kemungkinan untuk sains, industri dan masyarakat.
Masa siaran: 17 Julai 2025