Con el rápido avance de la tecnología optoelectrónica, los láseres semiconductores se han generalizado en diversos campos, como las telecomunicaciones, la medicina, el procesamiento industrial y el LiDAR, gracias a su alta eficiencia, tamaño compacto y facilidad de modulación. En el núcleo de esta tecnología se encuentra el medio de ganancia, que desempeña un papel fundamental. Sirve como...“fuente de energía"que permite la emisión estimulada y la generación de láser, determinando el láser's rendimiento, longitud de onda y potencial de aplicación.
1. ¿Qué es un medio de ganancia?
Como su nombre indica, un medio de ganancia es un material que proporciona amplificación óptica. Al ser excitado por fuentes de energía externas (como inyección eléctrica o bombeo óptico), amplifica la luz incidente mediante el mecanismo de emisión estimulada, lo que genera la salida del láser.
En los láseres semiconductores, el medio de ganancia generalmente está compuesto por la región activa en la unión PN, cuya composición del material, estructura y métodos de dopaje impactan directamente en parámetros clave como la corriente umbral, la longitud de onda de emisión, la eficiencia y las características térmicas.
2. Materiales de ganancia comunes en láseres semiconductores
Los semiconductores compuestos III-V son los materiales de ganancia más utilizados. Algunos ejemplos típicos son:
①GaAs (arseniuro de galio)
Adecuado para láseres que emiten en el rango 850–Rango de 980 nm, ampliamente utilizado en comunicaciones ópticas e impresión láser.
②InP (fosfuro de indio)
Se utiliza para emisión en las bandas de 1,3 µm y 1,55 µm, cruciales para las comunicaciones de fibra óptica.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Sus composiciones se pueden ajustar para lograr diferentes longitudes de onda, lo que forma la base para diseños de láseres de longitud de onda ajustable.
Estos materiales suelen presentar estructuras de banda prohibida directa, lo que los hace altamente eficientes en la recombinación electrón-hueco con emisión de fotones, ideales para su uso en medios de ganancia láser de semiconductores.
3. Evolución de las estructuras de ganancia
A medida que las tecnologías de fabricación han progresado, las estructuras de ganancia en los láseres semiconductores han evolucionado desde las primeras homojunciones a las heterojunciones y, posteriormente, a configuraciones avanzadas de pozos cuánticos y puntos cuánticos.
①Medio de ganancia de heterojunción
Al combinar materiales semiconductores con diferentes bandas prohibidas, los portadores y los fotones se pueden confinar de manera efectiva en regiones designadas, mejorando la eficiencia de ganancia y reduciendo la corriente de umbral.
②Estructuras de pozos cuánticos
Al reducir el espesor de la región activa a escala nanométrica, los electrones quedan confinados en dos dimensiones, lo que aumenta significativamente la eficiencia de la recombinación radiativa. Esto da como resultado láseres con corrientes umbral más bajas y una mejor estabilidad térmica.
③Estructuras de puntos cuánticos
Mediante técnicas de autoensamblaje, se forman nanoestructuras de dimensión cero que proporcionan distribuciones de niveles de energía nítidas. Estas estructuras ofrecen características de ganancia mejoradas y estabilidad de longitud de onda, lo que las convierte en un foco de investigación clave para los láseres semiconductores de alto rendimiento de próxima generación.
4. ¿Qué determina el medio de ganancia?
①Longitud de onda de emisión
La banda prohibida del material determina el láser'Longitud de onda s. Por ejemplo, InGaAs es adecuado para láseres de infrarrojo cercano, mientras que InGaN se utiliza para láseres azules o violetas.
②Eficiencia y potencia
La movilidad de los portadores y las tasas de recombinación no radiactiva afectan la eficiencia de conversión óptica a eléctrica.
③Rendimiento térmico
Los distintos materiales responden a los cambios de temperatura de distintas maneras, lo que influye en la fiabilidad del láser en entornos industriales y militares.
④Respuesta de modulación
El medio de ganancia influye en el láser.'s velocidad de respuesta, lo cual es fundamental en aplicaciones de comunicación de alta velocidad.
5. Conclusión
En la compleja estructura de los láseres semiconductores, el medio de ganancia es verdaderamente su “corazón”.—No solo es responsable de generar el láser, sino también de influir en su vida útil, estabilidad y escenarios de aplicación. Desde la selección de materiales hasta el diseño estructural, desde el rendimiento macroscópico hasta los mecanismos microscópicos, cada avance en el medio de ganancia impulsa la tecnología láser hacia un mayor rendimiento, aplicaciones más amplias y una exploración más profunda.
Con los avances continuos en la ciencia de los materiales y la tecnología de nanofabricación, se espera que los futuros medios de ganancia aporten mayor brillo, una cobertura de longitud de onda más amplia y soluciones láser más inteligentes.—abriendo más posibilidades para la ciencia, la industria y la sociedad.
Hora de publicación: 17 de julio de 2025