Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ quang điện tử, laser bán dẫn đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, y học, xử lý công nghiệp và LiDAR, nhờ hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và dễ điều chế. Cốt lõi của công nghệ này nằm ở môi trường khuếch đại, đóng vai trò vô cùng quan trọng. Nó đóng vai trò như...“nguồn năng lượng"Điều đó cho phép phát xạ kích thích và tạo ra tia laser, từ đó xác định tia laser.'hiệu năng, bước sóng và tiềm năng ứng dụng của nó.
1. Trung gian khuếch đại là gì?
Như tên gọi cho thấy, môi trường khuếch đại là vật liệu cung cấp khả năng khuếch đại quang học. Khi được kích thích bởi các nguồn năng lượng bên ngoài (chẳng hạn như bơm điện hoặc bơm quang học), nó khuếch đại ánh sáng tới thông qua cơ chế phát xạ kích thích, dẫn đến phát ra tia laser.
Trong laser bán dẫn, môi trường khuếch đại thường bao gồm vùng hoạt động tại mối nối PN, trong đó thành phần vật liệu, cấu trúc và phương pháp pha tạp ảnh hưởng trực tiếp đến các thông số quan trọng như dòng điện ngưỡng, bước sóng phát xạ, hiệu suất và đặc tính nhiệt.
2. Các vật liệu khuếch đại phổ biến trong laser bán dẫn
Các chất bán dẫn hợp chất III-V là những vật liệu khuếch đại được sử dụng phổ biến nhất. Một số ví dụ điển hình bao gồm:
①GaAs (Gallium Arsenide)
Thích hợp cho các laser phát xạ trong dải tần 850.–Dải bước sóng 980 nm, được sử dụng rộng rãi trong truyền thông quang học và in ấn laser.
②InP (Indium Phosphide)
Được sử dụng để phát xạ trong dải bước sóng 1,3 µm và 1,55 µm, rất quan trọng đối với truyền thông cáp quang.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Thành phần của chúng có thể được điều chỉnh để đạt được các bước sóng khác nhau, tạo cơ sở cho thiết kế laser có thể điều chỉnh bước sóng.
Các vật liệu này thường có cấu trúc khe năng lượng trực tiếp, giúp chúng có hiệu quả cao trong việc tái kết hợp electron-lỗ trống kèm theo phát xạ photon, lý tưởng để sử dụng trong môi trường khuếch đại laser bán dẫn.
3. Sự tiến hóa của cấu trúc khuếch đại
Cùng với sự tiến bộ của công nghệ chế tạo, cấu trúc khuếch đại trong laser bán dẫn đã phát triển từ các mối nối đồng chất ban đầu đến các mối nối dị chất, và xa hơn nữa là các cấu hình giếng lượng tử và chấm lượng tử tiên tiến.
①Môi trường khuếch đại dị liên kết
Bằng cách kết hợp các vật liệu bán dẫn có khe năng lượng khác nhau, các hạt tải điện và photon có thể được giữ lại hiệu quả trong các vùng được chỉ định, giúp tăng hiệu suất khuếch đại và giảm dòng điện ngưỡng.
②Cấu trúc giếng lượng tử
Bằng cách giảm độ dày của vùng hoạt động xuống thang đo nanomet, các electron được giới hạn trong hai chiều, làm tăng đáng kể hiệu suất tái kết hợp bức xạ. Điều này dẫn đến các laser có dòng điện ngưỡng thấp hơn và độ ổn định nhiệt tốt hơn.
③Cấu trúc chấm lượng tử
Bằng kỹ thuật tự lắp ráp, các cấu trúc nano không chiều được hình thành, cung cấp sự phân bố mức năng lượng sắc nét. Những cấu trúc này mang lại đặc tính khuếch đại và độ ổn định bước sóng được nâng cao, biến chúng thành điểm nóng nghiên cứu cho các laser bán dẫn hiệu năng cao thế hệ tiếp theo.
4. Phương tiện khuếch đại quyết định điều gì?
①Bước sóng phát xạ
Khoảng cách vùng cấm của vật liệu quyết định đặc tính của laser.'bước sóng. Ví dụ, InGaAs thích hợp cho laser cận hồng ngoại, trong khi InGaN được sử dụng cho laser xanh lam hoặc tím.
②Hiệu suất & Năng lượng
Độ linh động của hạt tải điện và tốc độ tái hợp không bức xạ ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi quang năng sang điện năng.
③Hiệu suất nhiệt
Các vật liệu khác nhau phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ theo những cách khác nhau, ảnh hưởng đến độ tin cậy của laser trong môi trường công nghiệp và quân sự.
④Phản hồi điều biến
Môi trường khuếch đại ảnh hưởng đến laser.'Tốc độ phản hồi nhanh, yếu tố rất quan trọng trong các ứng dụng truyền thông tốc độ cao.
5. Kết luận
Trong cấu trúc phức tạp của laser bán dẫn, môi trường khuếch đại thực sự là "trái tim" của nó.—Không chỉ chịu trách nhiệm tạo ra tia laser mà còn ảnh hưởng đến tuổi thọ, độ ổn định và các kịch bản ứng dụng của nó. Từ việc lựa chọn vật liệu đến thiết kế cấu trúc, từ hiệu suất vĩ mô đến cơ chế vi mô, mỗi bước đột phá trong môi trường khuếch đại đều thúc đẩy công nghệ laser hướng tới hiệu suất cao hơn, ứng dụng rộng rãi hơn và khám phá sâu sắc hơn.
Với những tiến bộ không ngừng trong khoa học vật liệu và công nghệ chế tạo nano, môi trường khuếch đại trong tương lai dự kiến sẽ mang lại độ sáng cao hơn, phạm vi bước sóng rộng hơn và các giải pháp laser thông minh hơn.—Mở ra nhiều khả năng hơn cho khoa học, công nghiệp và xã hội.
Thời gian đăng bài: 17/07/2025