Gracias al rápido avance de la tecnología optoelectrónica, los láseres semiconductores se utilizan ampliamente en diversos campos como las telecomunicaciones, la medicina, el procesamiento industrial y el LiDAR, debido 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 absolutamente vital. Sirve como...“fuente de energía“que permite la emisión estimulada y la generación de láser, determinando el láser'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 produce una emisión láser.
En los láseres semiconductores, el medio de ganancia suele estar compuesto por la región activa en la unión PN, cuya composición material, estructura y métodos de dopaje influyen 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)
Apto para láseres que emiten en la banda de 850 nm.–Rango de 980 nm, ampliamente utilizado en comunicaciones ópticas e impresión láser.
2InP (fosfuro de indio)
Se utiliza para la emisión en las bandas de 1,3 µm y 1,55 µm, cruciales para las comunicaciones de fibra óptica.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Su composición puede ajustarse para lograr diferentes longitudes de onda, constituyendo la base de los diseños de láseres de longitud de onda sintonizable.
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 de láseres semiconductores.
3. Evolución de las estructuras de ganancia
A medida que han avanzado las tecnologías de fabricación, las estructuras de ganancia en los láseres semiconductores han evolucionado desde las primeras homouniones hasta las heterouniones, y posteriormente hasta configuraciones avanzadas de pozos cuánticos y puntos cuánticos.
①Medio de ganancia de heterounión
Al combinar materiales semiconductores con diferentes bandas prohibidas, los portadores y los fotones pueden confinarse eficazmente en regiones designadas, mejorando la eficiencia de ganancia y reduciendo la corriente umbral.
2Estructuras de pozos cuánticos
Al reducir el espesor de la región activa a la escala nanométrica, los electrones quedan confinados en dos dimensiones, lo que aumenta significativamente la eficiencia de 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 bien definidas. Estas estructuras ofrecen características de ganancia mejoradas y mayor estabilidad de longitud de onda, lo que las convierte en un área de investigación clave para la próxima generación de láseres semiconductores de alto rendimiento.
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, el InGaAs es adecuado para láseres de infrarrojo cercano, mientras que el InGaN se utiliza para láseres azules o violetas.
2Eficiencia y potencia
La movilidad de los portadores y las tasas de recombinación no radiativa afectan la eficiencia de conversión óptica-eléctrica.
③Rendimiento térmico
Los distintos materiales responden de diversas maneras a los cambios de temperatura, lo que influye en la fiabilidad del láser en entornos industriales y militares.
④Respuesta de modulación
El medio de ganancia influye en el láser.'su velocidad de respuesta, que 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 son responsables de generar el láser, sino que también influyen en su vida útil, estabilidad y aplicaciones. 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.
Gracias a los continuos avances en la ciencia de los materiales y la tecnología de nanofabricación, se espera que los futuros medios de ganancia ofrezcan mayor brillo, una cobertura de longitud de onda más amplia y soluciones láser más inteligentes.—Abrir nuevas posibilidades para la ciencia, la industria y la sociedad.
Fecha de publicación: 17 de julio de 2025