Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ quang điện tử, laser bán dẫn đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, y tế, chế biến công nghiệp và LiDAR, nhờ hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng điều chế dễ dàng. Cốt lõi của công nghệ này nằm ở môi trường khuếch đại, đóng vai trò cực kỳ quan trọng. Nó đóng vai trò như“nguồn năng lượng"cho phép phát xạ kích thích và tạo ra tia laser, xác định tia laser'hiệu suất, bước sóng và tiềm năng ứng dụng.
1. Gain Medium là gì?
Đúng như tên gọi, 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), nó khuếch đại ánh sáng tới thông qua cơ chế phát xạ kích thích, dẫn đến đầu ra laser.
Trong laser bán dẫn, môi trường khuếch đại thường bao gồm vùng hoạt động tại tiếp giáp PN, có thành phần vật liệu, cấu trúc và phương pháp pha tạp tác động trực tiếp đến các thông số chính như dòng điện ngưỡng, bước sóng phát xạ, hiệu suất và đặc tính nhiệt.
2. Vật liệu khuếch đại chung trong laser bán dẫn
Vật liệu bán dẫn hợp chất III-V là vật liệu khuếch đại được sử dụng phổ biến nhất. Các ví dụ điển hình bao gồm:
①GaAs (Gali Arsenide)
Phù hợp cho tia laser phát ra ở mức 850–Phạm vi 980 nm, được sử dụng rộng rãi trong truyền thông quang học và in laser.
②InP (Indium Phosphide)
Được sử dụng để phát xạ trong dải tần 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 thành cơ sở cho các thiết kế laser có bước sóng có thể điều chỉnh.
Các vật liệu này thường có cấu trúc khe hở trực tiếp, khiến chúng có hiệu suất cao trong việc tái hợp electron-lỗ trống với 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
Khi công nghệ chế tạo phát triển, cấu trúc khuếch đại trong laser bán dẫn đã phát triển từ các tiếp giáp đồng dạng ban đầu thành các tiếp giáp dị dạng, và tiếp tục là các cấu hình giếng lượng tử và chấm lượng tử tiên tiến.
①Môi trường khuếch đại dị tiếp giáp
Bằng cách kết hợp các vật liệu bán dẫn có các khoảng cách dải khác nhau, các hạt mang và photon có thể được giới hạn hiệu quả trong các vùng được chỉ định, tăng cường 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 nanomet, các electron bị giới hạn trong hai chiều, làm tăng đáng kể hiệu suất tái hợp bức xạ. Điều này tạo ra laser có dòng điện ngưỡng thấp hơn và độ ổn định nhiệt tốt hơn.
③Cấu trúc chấm lượng tử
Sử dụng kỹ thuật tự lắp ráp, các cấu trúc nano không chiều được hình thành, mang lại sự phân bố mức năng lượng sắc nét. Những cấu trúc này mang lại đặc tính khuếch đại được cải thiện và độ ổn định bước sóng, biến chúng thành điểm nóng nghiên cứu cho laser bán dẫn hiệu suất cao thế hệ tiếp theo.
4. Môi trường khuếch đại quyết định điều gì?
①Bước sóng phát xạ
Khoảng cách dải của vật liệu quyết định tia laser'bước sóng s. Ví dụ, InGaAs phù hợp với tia laser cận hồng ngoại, trong khi InGaN được sử dụng cho tia laser xanh hoặc tím.
②Hiệu quả và Công suất
Độ linh động của hạt mang và tốc độ tái hợp không bức xạ ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi quang sang điện.
③Hiệu suất nhiệt
Các vật liệu khác nhau phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ theo nhiều cách khác nhau, ảnh hưởng đến độ tin cậy của tia laser trong môi trường công nghiệp và quân sự.
④Phản ứng điều chế
Môi trường khuếch đại ảnh hưởng đến tia laser'tốc độ phản hồi, yếu tố 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 ứng dụng của nó. Từ lựa chọn vật liệu đến thiết kế cấu trúc, từ hiệu suất vĩ mô đến cơ chế vi mô, mỗi 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 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: 17-07-2025