Mit dem rasanten Fortschritt der optoelektronischen Technologie haben sich Halbleiterlaser dank ihrer hohen Effizienz, kompakten Bauweise und einfachen Modulierbarkeit in verschiedenen Bereichen wie Telekommunikation, Medizin, industrieller Verarbeitung und LiDAR weit verbreitet. Kernstück dieser Technologie ist das Verstärkungsmedium, das eine absolut entscheidende Rolle spielt. Es dient als„Energiequelle„das die stimulierte Emission und Lasererzeugung ermöglicht und den Laser bestimmt'Leistung, Wellenlänge und Anwendungspotenzial.
1. Was ist ein Verstärkungsmedium?
Wie der Name schon sagt, ist ein Verstärkungsmedium ein Material, das optische Verstärkung bewirkt. Wird es durch externe Energiequellen (wie elektrische Einspeisung oder optisches Pumpen) angeregt, verstärkt es einfallendes Licht durch stimulierte Emission und erzeugt so Laserlicht.
Bei Halbleiterlasern besteht das Verstärkungsmedium typischerweise aus der aktiven Zone am PN-Übergang, deren Materialzusammensetzung, Struktur und Dotierungsmethoden sich direkt auf wichtige Parameter wie Schwellenstrom, Emissionswellenlänge, Wirkungsgrad und thermische Eigenschaften auswirken.
2. Gängige Verstärkungsmaterialien in Halbleiterlasern
III-V-Verbindungshalbleiter sind die am häufigsten verwendeten Verstärkungsmaterialien. Typische Beispiele sind:
①GaAs (Galliumarsenid)
Geeignet für Laser, die im 850-kW-Bereich emittieren.–980 nm-Bereich, weit verbreitet in der optischen Kommunikation und im Laserdruck.
②InP (Indiumphosphid)
Wird zur Emission in den 1,3 µm und 1,55 µm Bändern verwendet, die für die Glasfaserkommunikation von entscheidender Bedeutung sind.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Durch die Anpassung ihrer Zusammensetzung lassen sich unterschiedliche Wellenlängen erzielen, wodurch die Grundlage für die Entwicklung von Lasern mit abstimmbarer Wellenlänge geschaffen wird.
Diese Materialien weisen typischerweise direkte Bandlückenstrukturen auf, wodurch sie bei der Rekombination von Elektronen und Löchern mit Photonenemission hocheffizient sind und sich ideal für den Einsatz als Verstärkungsmedium in Halbleiterlasern eignen.
3. Entwicklung der Verstärkungsstrukturen
Mit dem Fortschritt der Fertigungstechnologien haben sich die Verstärkungsstrukturen in Halbleiterlasern von frühen Homojunctions über Heterojunctions hin zu fortschrittlichen Quantentopf- und Quantenpunktkonfigurationen weiterentwickelt.
①Heteroübergangs-Verstärkungsmedium
Durch die Kombination von Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken können Ladungsträger und Photonen effektiv in bestimmten Bereichen eingeschlossen werden, wodurch die Verstärkungseffizienz erhöht und der Schwellenstrom reduziert wird.
②Quantentopfstrukturen
Durch die Reduzierung der Dicke der aktiven Zone auf den Nanometerbereich werden Elektronen zweidimensional eingeschlossen, wodurch die Effizienz der Strahlungsrekombination deutlich erhöht wird. Dies führt zu Lasern mit niedrigeren Schwellenströmen und besserer thermischer Stabilität.
③Quantenpunktstrukturen
Mithilfe von Selbstorganisationstechniken werden nulldimensionale Nanostrukturen erzeugt, die scharfe Energieniveauverteilungen aufweisen. Diese Strukturen bieten verbesserte Verstärkungseigenschaften und Wellenlängenstabilität und sind daher ein Forschungsschwerpunkt für die Entwicklung von Hochleistungs-Halbleiterlasern der nächsten Generation.
4. Was bestimmt das Verstärkungsmedium?
①Emissionswellenlänge
Die Bandlücke des Materials bestimmt den Laser's Wellenlänge. InGaAs eignet sich beispielsweise für Nahinfrarotlaser, während InGaN für blaue oder violette Laser verwendet wird.
②Effizienz & Leistung
Die Ladungsträgermobilität und die nichtstrahlenden Rekombinationsraten beeinflussen den optisch-elektrischen Umwandlungswirkungsgrad.
③Thermische Leistung
Unterschiedliche Materialien reagieren auf Temperaturänderungen auf unterschiedliche Weise, was die Zuverlässigkeit des Lasers in industriellen und militärischen Umgebungen beeinflusst.
④Modulationsantwort
Das Verstärkungsmedium beeinflusst den Laser'die Reaktionsgeschwindigkeit, die bei Hochgeschwindigkeitskommunikationsanwendungen von entscheidender Bedeutung ist.
5. Schlussfolgerung
Im komplexen Aufbau von Halbleiterlasern ist das Verstärkungsmedium wahrlich ihr „Herzstück“.—Sie sind nicht nur für die Erzeugung des Laserlichts verantwortlich, sondern beeinflussen auch dessen Lebensdauer, Stabilität und Anwendungsbereiche. Von der Materialauswahl bis zum Strukturdesign, von makroskopischen Eigenschaften bis zu mikroskopischen Mechanismen – jeder Durchbruch bei Verstärkungsmedien treibt die Lasertechnologie hin zu höherer Leistung, breiteren Anwendungsbereichen und tiefergehender Forschung.
Dank der ständigen Fortschritte in der Materialwissenschaft und der Nanofabrikationstechnologie werden zukünftige Verstärkungsmedien voraussichtlich eine höhere Leuchtdichte, einen breiteren Wellenlängenbereich und intelligentere Laserlösungen ermöglichen.—Dadurch werden mehr Möglichkeiten für Wissenschaft, Industrie und Gesellschaft eröffnet.
Veröffentlichungsdatum: 17. Juli 2025