Co rápido avance da tecnoloxía optoelectrónica, os láseres semicondutores empréganse amplamente en diversos campos como as telecomunicacións, a medicina, o procesamento industrial e o LiDAR, grazas á súa alta eficiencia, tamaño compacto e facilidade de modulación. No núcleo desta tecnoloxía atópase o medio de ganancia, que desempeña un papel absolutamente vital. Serve como..."fonte de enerxía"que permite a emisión estimulada e a xeración de láser, determinando o láser'rendemento, lonxitude de onda e potencial de aplicación.
1. Que é un medio de ganancia?
Como o nome indica, un medio de ganancia é un material que proporciona amplificación óptica. Cando se excita mediante fontes de enerxía externas (como a inxección eléctrica ou o bombeo óptico), amplifica a luz incidente mediante o mecanismo de emisión estimulada, o que leva a unha saída láser.
Nos láseres semicondutores, o medio de ganancia está composto normalmente pola rexión activa na unión PN, cuxa composición material, estrutura e métodos de dopaxe inflúen directamente en parámetros clave como a corrente limiar, a lonxitude de onda de emisión, a eficiencia e as características térmicas.
2. Materiais de ganancia comúns en láseres semicondutores
Os semicondutores compostos III-V son os materiais de ganancia máis empregados. Algúns exemplos típicos son:
1.GaAs (arseniuro de galio)
Apto para láseres que emiten nos 850–Rango de 980 nm, amplamente utilizado en comunicacións ópticas e impresión láser.
2.InP (fosfuro de indio)
Emprégase para a emisión nas bandas de 1,3 µm e 1,55 µm, crucial para as comunicacións por fibra óptica.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
As súas composicións pódense axustar para acadar diferentes lonxitudes de onda, o que constitúe a base para os deseños de láseres de lonxitude de onda sintonizables.
Estes materiais adoitan presentar estruturas de banda prohibida directa, o que os fai moi eficientes na recombinación electrón-burato con emisión de fotóns, ideal para o seu uso en medios de ganancia láser semicondutores.
3. Evolución das estruturas de ganancia
A medida que as tecnoloxías de fabricación progresaron, as estruturas de ganancia nos láseres semicondutores evolucionaron desde as primeiras homounións ata as heterounións e, ademais, ata configuracións avanzadas de pozos cuánticos e puntos cuánticos.
1.Medio de ganancia de heteroxunción
Ao combinar materiais semicondutores con diferentes intervalos de banda, os portadores e os fotóns poden confinarse eficazmente en rexións designadas, mellorando a eficiencia de ganancia e reducindo a corrente limiar.
2.Estruturas de pozos cuánticos
Ao reducir o grosor da rexión activa á escala nanométrica, os electróns quedan confinados en dúas dimensións, o que aumenta significativamente a eficiencia da recombinación radiativa. Isto resulta en láseres con correntes de limiar máis baixas e mellor estabilidade térmica.
③Estruturas de puntos cuánticos
Mediante técnicas de autoensamblaxe, fórmanse nanoestruturas de dimensionamento cero, que proporcionan distribucións nítidas dos niveis de enerxía. Estas estruturas ofrecen características de ganancia e estabilidade de lonxitude de onda melloradas, o que as converte nun punto de interese para a investigación de láseres semicondutores de alto rendemento de próxima xeración.
4. Que determina o medio de ganancia?
1.Lonxitude de onda de emisión
A banda prohibida do material determina o láser'lonxitude de onda s. Por exemplo, o InGaAs é axeitado para láseres de infravermello próximo, mentres que o InGaN se usa para láseres azuis ou violetas.
2.Eficiencia e potencia
A mobilidade dos portadores e as taxas de recombinación non radiativa afectan á eficiencia da conversión óptico-eléctrica.
③Rendemento térmico
Diferentes materiais responden aos cambios de temperatura de diversas maneiras, o que inflúe na fiabilidade do láser en entornos industriais e militares.
④Resposta de modulación
O medio de ganancia inflúe no láser'velocidade de resposta, que é fundamental nas aplicacións de comunicación de alta velocidade.
5. Conclusión
Na complexa estrutura dos láseres semicondutores, o medio de ganancia é verdadeiramente o seu "corazón"—non só é responsable de xerar o láser, senón tamén de influír na súa vida útil, estabilidade e escenarios de aplicación. Desde a selección de materiais ata o deseño estrutural, desde o rendemento macroscópico ata os mecanismos microscópicos, cada avance no medio de ganancia está a impulsar a tecnoloxía láser cara a un maior rendemento, aplicacións máis amplas e unha exploración máis profunda.
Cos avances continuos na ciencia dos materiais e na tecnoloxía de nanofabricación, espérase que os medios de ganancia futura traian un maior brillo, unha cobertura de lonxitudes de onda máis ampla e solucións láser máis intelixentes.—desbloqueando máis posibilidades para a ciencia, a industria e a sociedade.
Data de publicación: 17 de xullo de 2025