جوهر ليزرات أشباه الموصلات: نظرة متعمقة على وسط التضخيم

مع التطور السريع لتكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية، أصبحت ليزرات أشباه الموصلات شائعة الاستخدام في مجالات متنوعة كالاتصالات والطب والمعالجة الصناعية وتقنية الليدار، وذلك بفضل كفاءتها العالية وحجمها الصغير وسهولة تعديلها. ويكمن جوهر هذه التكنولوجيا في وسط التضخيم، الذي يلعب دورًا حيويًا للغاية. فهو بمثابة..."مصدر طاقة"وهذا يُمكّن من الانبعاث المحفز وتوليد الليزر، مما يُحدد الليزر'الأداء، والطول الموجي، وإمكانات التطبيق.

1. ما هو الوسط المربح؟

كما يوحي الاسم، فإن وسط التضخيم هو مادة توفر تضخيمًا ضوئيًا. فعند إثارته بمصادر طاقة خارجية (مثل الحقن الكهربائي أو الضخ الضوئي)، فإنه يضخم الضوء الساقط من خلال آلية الانبعاث المحفز، مما يؤدي إلى إخراج الليزر.

في ليزرات أشباه الموصلات، يتكون وسط الكسب عادةً من المنطقة النشطة عند وصلة PN، والتي يؤثر تركيبها المادي وبنيتها وطرق التطعيم فيها بشكل مباشر على المعلمات الرئيسية مثل تيار العتبة وطول موجة الانبعاث والكفاءة والخصائص الحرارية.

2. مواد التضخيم الشائعة في ليزرات أشباه الموصلات

تُعد أشباه الموصلات المركبة من النوع III-V أكثر مواد التضخيم استخدامًا. ومن الأمثلة النموذجية عليها:

①GaAs (زرنيخيد الغاليوم)

مناسب لأجهزة الليزر التي تصدر إشعاعًا في نطاق 850–نطاق 980 نانومتر، ويستخدم على نطاق واسع في الاتصالات البصرية والطباعة بالليزر.

٢InP (فوسفيد الإنديوم)

يستخدم للانبعاث في نطاقي 1.3 ميكرومتر و 1.55 ميكرومتر، وهما أمران بالغا الأهمية للاتصالات عبر الألياف الضوئية.

③InGaAsP / AlGaAs / InGaN

يمكن ضبط تركيباتها لتحقيق أطوال موجية مختلفة، مما يشكل الأساس لتصميمات الليزر ذات الطول الموجي القابل للضبط.

تتميز هذه المواد عادةً بهياكل فجوة نطاق مباشرة، مما يجعلها فعالة للغاية في إعادة تركيب الإلكترون والفجوة مع انبعاث الفوتون، وهو أمر مثالي للاستخدام في وسط كسب ليزر أشباه الموصلات.

3. تطور هياكل الكسب

مع تطور تقنيات التصنيع، تطورت هياكل الكسب في ليزرات أشباه الموصلات من الوصلات المتجانسة المبكرة إلى الوصلات غير المتجانسة، ثم إلى تكوينات الآبار الكمومية والنقاط الكمومية المتقدمة.

①وسط كسب الوصلة غير المتجانسة

من خلال الجمع بين مواد أشباه الموصلات ذات فجوات النطاق المختلفة، يمكن حصر حاملات الشحنة والفوتونات بشكل فعال في مناطق محددة، مما يعزز كفاءة الكسب ويقلل من تيار العتبة.

٢هياكل الآبار الكمومية

بتقليص سُمك المنطقة الفعّالة إلى مقياس النانومتر، تُحصر الإلكترونات في بُعدين، مما يزيد بشكل ملحوظ من كفاءة إعادة التركيب الإشعاعي. وينتج عن ذلك ليزرات ذات تيارات عتبة أقل واستقرار حراري أفضل.

③هياكل النقاط الكمومية

باستخدام تقنيات التجميع الذاتي، يتم تشكيل هياكل نانوية صفرية الأبعاد، مما يوفر توزيعات دقيقة لمستويات الطاقة. توفر هذه الهياكل خصائص كسب محسّنة واستقرارًا في الطول الموجي، مما يجعلها محورًا رئيسيًا للبحث في الجيل القادم من ليزرات أشباه الموصلات عالية الأداء.

4. ما الذي يحدده وسط الكسب؟

①طول موجة الانبعاث

تحدد فجوة النطاق للمادة الليزر'الطول الموجي. على سبيل المثال، يعتبر InGaAs مناسبًا لأشعة الليزر القريبة من الأشعة تحت الحمراء، بينما يستخدم InGaN لأشعة الليزر الزرقاء أو البنفسجية.

٢الكفاءة والطاقة

تؤثر حركة حاملات الشحنة ومعدلات إعادة التركيب غير الإشعاعي على كفاءة التحويل من الضوء إلى الكهرباء.

③الأداء الحراري

تستجيب المواد المختلفة لتغيرات درجة الحرارة بطرق متنوعة، مما يؤثر على موثوقية الليزر في البيئات الصناعية والعسكرية.

④استجابة التعديل

يؤثر الوسط المكسب على الليزر'سرعة الاستجابة، وهو أمر بالغ الأهمية في تطبيقات الاتصالات عالية السرعة.

5. الخاتمة

في التركيب المعقد لأشعة الليزر شبه الموصلة، يعتبر وسط التضخيم هو "قلبها" الحقيقي.—لا تقتصر مسؤولية تطوير وسط التضخيم على توليد الليزر فحسب، بل تشمل أيضاً التأثير على عمره الافتراضي واستقراره وتطبيقاته. فمن اختيار المواد إلى التصميم الهيكلي، ومن الأداء الكلي إلى الآليات المجهرية، يُسهم كل تقدم في هذا المجال في دفع تكنولوجيا الليزر نحو أداء أفضل، وتطبيقات أوسع، واستكشاف أعمق.

مع التطورات المستمرة في علوم المواد وتكنولوجيا التصنيع النانوي، من المتوقع أن توفر وسائط التضخيم المستقبلية سطوعًا أعلى، وتغطية أوسع للأطوال الموجية، وحلول ليزر أكثر ذكاءً.—فتح آفاق أوسع للعلوم والصناعة والمجتمع.