לבם של לייזרים מוליכים למחצה: מבט מעמיק על מדיום הגבר

עם ההתקדמות המהירה של טכנולוגיית האופטואלקטרוניקה, לייזרים מוליכים למחצה הפכו לשימוש נרחב בתחומים שונים כגון טלקומוניקציה, רפואה, עיבוד תעשייתי ו-LiDAR, הודות ליעילותם הגבוהה, גודלם הקומפקטי וקלות המודולציה שלהם. בלב טכנולוגיה זו טמון תווך ההגבר, אשר ממלא תפקיד חיוני לחלוטין. הוא משמש כ..."מקור אנרגיה"המאפשר פליטה מגורה ויצירת לייזר, וקובע את הלייזר'ביצועים, אורך גל ופוטנציאל יישום.

1. מהו מדיום הגבר?

כפי שהשם מרמז, תווך הגברה הוא חומר המספק הגברה אופטית. כאשר הוא מעורר על ידי מקורות אנרגיה חיצוניים (כגון הזרקה חשמלית או שאיבה אופטית), הוא מגביר אור פוגע באמצעות מנגנון של פליטה מגורה, מה שמוביל לפלט לייזר.

בלייזרים מוליכים למחצה, תווך ההגבר מורכב בדרך כלל מהאזור הפעיל בצומת PN, אשר הרכב החומר, המבנה ושיטות הסימום שלו משפיעים ישירות על פרמטרים מרכזיים כמו זרם סף, אורך גל פליטה, יעילות ומאפיינים תרמיים.

2. חומרי הגבר נפוצים בלייזרי מוליכים למחצה

מוליכים למחצה מורכבים מסוג III-V הם חומרי ההגבר הנפוצים ביותר. דוגמאות אופייניות כוללות:

①GaAs (גליום ארסניד)

מתאים ללייזרים הפולטים ב-850–טווח 980 ננומטר, בשימוש נרחב בתקשורת אופטית והדפסת לייזר.

②InP (אינדיום פוספיד)

משמש לפליטה בתחומי 1.3 מיקרומטר ו-1.55 מיקרומטר, חיוניים לתקשורת סיבים אופטיים.

③InGaAsP / AlGaAs / InGaN

ניתן לכוון את הקומפוזיציות שלהם כדי להשיג אורכי גל שונים, מה שמהווה את הבסיס לעיצובי לייזר בעלי אורך גל מתכוונן.

חומרים אלה כוללים בדרך כלל מבני פער אנרגיה ישירים, מה שהופך אותם ליעילים ביותר בשחזור אלקטרונים-חור עם פליטת פוטונים, אידיאליים לשימוש במדיום הגבר לייזר מוליך למחצה.

3. התפתחות מבני הגבר

ככל שטכנולוגיות הייצור התקדמות, מבני הגבר בלייזרי מוליכים למחצה התפתחו מהומו-ג'נקציות מוקדמות להטרו-ג'נקציות, והמשך לתצורות מתקדמות של בארות קוונטיות ונקודות קוונטיות.

①מדיום הגבר הטרוצונקציה

על ידי שילוב חומרי מוליכים למחצה עם פערי אנרגיה שונים, ניתן להגביל ביעילות נושאי מטען ופוטונים באזורים ייעודיים, לשפר את יעילות ההגבר ולהפחית את זרם הסף.

②מבני בארות קוונטיות

על ידי הקטנת עובי האזור הפעיל לקנה מידה ננומטרי, האלקטרונים מוגבלים בשני ממדים, מה שמגדיל משמעותית את יעילות הרקומבינציה הקרינתית. התוצאה היא לייזרים עם זרמי סף נמוכים יותר ויציבות תרמית טובה יותר.

③מבני נקודות קוונטיות

באמצעות טכניקות הרכבה עצמית, נוצרים ננו-מבנים אפס-ממדיים, המספקים התפלגויות רמות אנרגיה חדות. מבנים אלה מציעים מאפייני הגבר משופרים ויציבות אורך גל, מה שהופך אותם למוקד מחקר עבור לייזרים מוליכים למחצה בעלי ביצועים גבוהים מהדור הבא.

4. מה קובע מדיום ההגבר?

①אורך גל פליטה

פער הפס של החומר קובע את הלייזר'אורך גל s. לדוגמה, InGaAs מתאים ללייזרים קרובים לאינפרא אדום, בעוד ש-InGaN משמש ללייזרים כחולים או סגולים.

②יעילות ועוצמה

ניידות נושאי מטען וקצבי רקומבינציה לא-קרינתיים משפיעים על יעילות ההמרה אופטית-לחשמלית.

③ביצועים תרמיים

חומרים שונים מגיבים לשינויי טמפרטורה בדרכים שונות, ומשפיעים על אמינות הלייזר בסביבות תעשייתיות וצבאיות.

④תגובת אפנון

מדיום ההגבר משפיע על הלייזר'מהירות התגובה, שהיא קריטית ביישומי תקשורת במהירות גבוהה.

5. סיכום

במבנה המורכב של לייזרים מוליכים למחצה, מצע ההגבר הוא באמת "הלב" שלהם.—אחראי לא רק על יצירת הלייזר, אלא גם על השפעה על אורך חייו, יציבותו ותרחישי היישום שלו. מבחירת חומרים ועד תכנון מבני, מביצועים מקרוסקופיים ועד מנגנונים מיקרוסקופיים, כל פריצת דרך במדיום הגברת יכולות דוחפת את טכנולוגיית הלייזר לעבר ביצועים טובים יותר, יישומים רחבים יותר וחקר מעמיק יותר.

עם ההתקדמות המתמשכת במדעי החומרים וטכנולוגיית ננו-ייצור, צפוי כי מדיום הגבר עתידי יביא בהירות גבוהה יותר, כיסוי אורכי גל רחב יותר ופתרונות לייזר חכמים יותר.—פתיחת אפשרויות נוספות עבור המדע, התעשייה והחברה.