Com o rápido avanço da tecnologia optoeletrônica, os lasers semicondutores tornaram-se amplamente utilizados em diversos campos, como telecomunicações, medicina, processamento industrial e LiDAR, graças à sua alta eficiência, tamanho compacto e facilidade de modulação. No cerne dessa tecnologia está o meio de ganho, que desempenha um papel absolutamente vital. Ele serve como...“fonte de energia”que possibilita a emissão estimulada e a geração de laser, determinando o laser.'desempenho, comprimento de onda e potencial de aplicação.
1. O que é um meio de ganho?
Como o próprio nome sugere, um meio de ganho é um material que proporciona amplificação óptica. Quando excitado por fontes de energia externas (como injeção elétrica ou bombeamento óptico), ele amplifica a luz incidente através do mecanismo de emissão estimulada, resultando na emissão de laser.
Em lasers semicondutores, o meio ativo é tipicamente composto pela região ativa na junção PN, cuja composição do material, estrutura e métodos de dopagem impactam diretamente parâmetros-chave como corrente de limiar, comprimento de onda de emissão, eficiência e características térmicas.
2. Materiais de ganho comuns em lasers semicondutores
Os semicondutores compostos III-V são os materiais de ganho mais comumente usados. Exemplos típicos incluem:
①GaAs (Arsenieto de Gálio)
Adequado para lasers que emitem na faixa de 850–Na faixa de 980 nm, é amplamente utilizada em comunicações ópticas e impressão a laser.
②InP (fosfeto de índio)
Utilizada para emissão nas bandas de 1,3 µm e 1,55 µm, cruciais para comunicações por fibra óptica.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Suas composições podem ser ajustadas para atingir diferentes comprimentos de onda, formando a base para projetos de lasers com comprimento de onda ajustável.
Esses materiais normalmente apresentam estruturas de banda proibida direta, o que os torna altamente eficientes na recombinação elétron-buraco com emissão de fótons, ideais para uso como meio de ganho em lasers semicondutores.
3. Evolução das Estruturas de Ganho
Com o avanço das tecnologias de fabricação, as estruturas de ganho em lasers semicondutores evoluíram das primeiras homojunções para as heterojunções e, posteriormente, para configurações avançadas de poços quânticos e pontos quânticos.
①Meio de ganho de heterojunção
Ao combinar materiais semicondutores com diferentes gaps de energia, os portadores de carga e os fótons podem ser efetivamente confinados em regiões específicas, aumentando a eficiência do ganho e reduzindo a corrente de limiar.
②Estruturas de poços quânticos
Ao reduzir a espessura da região ativa para a escala nanométrica, os elétrons ficam confinados em duas dimensões, aumentando significativamente a eficiência da recombinação radiativa. Isso resulta em lasers com correntes de limiar mais baixas e melhor estabilidade térmica.
③Estruturas de Pontos Quânticos
Utilizando técnicas de auto-montagem, nanoestruturas zero-dimensionais são formadas, proporcionando distribuições de níveis de energia bem definidas. Essas estruturas oferecem características de ganho aprimoradas e estabilidade de comprimento de onda, tornando-as um tema de pesquisa importante para lasers semicondutores de alto desempenho de próxima geração.
4. O que o meio de ganho determina?
①Comprimento de onda de emissão
A largura da banda proibida do material determina o laser.'comprimento de onda. Por exemplo, o InGaAs é adequado para lasers de infravermelho próximo, enquanto o InGaN é usado para lasers azuis ou violetas.
②Eficiência e Potência
A mobilidade dos portadores de carga e as taxas de recombinação não radiativa afetam a eficiência da conversão óptica-elétrica.
③Desempenho térmico
Diferentes materiais reagem às mudanças de temperatura de maneiras diversas, influenciando a confiabilidade do laser em ambientes industriais e militares.
④Resposta de Modulação
O meio ativo influencia o laser.'A velocidade de resposta é crucial em aplicações de comunicação de alta velocidade.
5. Conclusão
Na estrutura complexa dos lasers semicondutores, o meio ativo é verdadeiramente o seu "coração".—Não apenas responsável por gerar o laser, mas também por influenciar sua vida útil, estabilidade e cenários de aplicação. Da seleção de materiais ao projeto estrutural, do desempenho macroscópico aos mecanismos microscópicos, cada avanço no meio ativo impulsiona a tecnologia laser rumo a um desempenho superior, aplicações mais amplas e exploração mais profunda.
Com os avanços contínuos na ciência dos materiais e na nanotecnologia, espera-se que os futuros meios de ganho proporcionem maior brilho, cobertura de comprimento de onda mais ampla e soluções de laser mais inteligentes.—Abrindo mais possibilidades para a ciência, a indústria e a sociedade.
Data da publicação: 17 de julho de 2025