مع التقدم السريع في تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية، أصبحت ليزرات أشباه الموصلات تُستخدم على نطاق واسع في مجالات متنوعة، مثل الاتصالات، والطب، والمعالجة الصناعية، والليدار، وذلك بفضل كفاءتها العالية، وحجمها الصغير، وسهولة تعديلها. ويكمن جوهر هذه التكنولوجيا في وسط الكسب، الذي يلعب دورًا حيويًا للغاية. فهو بمثابة"مصدر الطاقة”الذي يتيح الانبعاث المحفز وتوليد الليزر، وتحديد الليزر'الأداء، والطول الموجي، وإمكانات التطبيق.
1. ما هو وسيط الكسب؟
كما يوحي الاسم، فإن وسيط الكسب هو مادة تُوفر تضخيمًا بصريًا. عند إثارته بمصادر طاقة خارجية (مثل الحقن الكهربائي أو الضخ البصري)، يُضخّم الضوء الساقط من خلال آلية الانبعاث المُحفَّز، مما يؤدي إلى إنتاج ليزر.
في ليزر أشباه الموصلات، يتكون وسط الكسب عادةً من المنطقة النشطة عند الوصلة PN، والتي يؤثر تركيبها المادي وبنيتها وطرق التنشيط بشكل مباشر على المعلمات الرئيسية مثل تيار العتبة وطول موجة الانبعاث والكفاءة والخصائص الحرارية.
2. مواد الكسب الشائعة في ليزرات أشباه الموصلات
أشباه الموصلات المركبة III-V هي أكثر مواد الكسب استخدامًا. ومن الأمثلة النموذجية:
①GaAs (زرنيخيد الغاليوم)
مناسب لليزر المنبعث في 850-نطاق 980 نانومتر، يستخدم على نطاق واسع في الاتصالات البصرية والطباعة بالليزر.
②InP (فوسفيد الإنديوم)
تُستخدم للانبعاث في نطاقي 1.3 ميكرومتر و1.55 ميكرومتر، وهو أمر بالغ الأهمية لاتصالات 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 النطاق المباشرة، مما يجعلها فعالة للغاية في إعادة تركيب ثقب الإلكترون مع انبعاث الفوتون، وهي مثالية للاستخدام في وسط كسب الليزر شبه الموصل.
3. تطور هياكل المكاسب
مع تقدم تقنيات التصنيع، تطورت هياكل المكسب في ليزر أشباه الموصلات من الوصلات المتجانسة المبكرة إلى الوصلات غير المتجانسة، ثم إلى تكوينات الآبار الكمية المتقدمة ونقاط الكم.
①وسط كسب الوصلة غير المتجانسة
من خلال الجمع بين المواد شبه الموصلة ذات فجوات النطاق المختلفة، يمكن حصر الناقلات والفوتونات بشكل فعال في مناطق محددة، مما يعزز كفاءة المكسب ويقلل من تيار العتبة.
②هياكل الآبار الكمومية
بتقليل سُمك المنطقة النشطة إلى مقياس النانومتر، تُحصر الإلكترونات في بُعدين، مما يزيد كفاءة إعادة التركيب الإشعاعي بشكل ملحوظ. وينتج عن ذلك ليزرات ذات تيارات عتبة أقل واستقرار حراري أفضل.
③هياكل النقاط الكمومية
باستخدام تقنيات التجميع الذاتي، تُشكَّل هياكل نانوية عديمة الأبعاد، مما يوفر توزيعًا دقيقًا لمستويات الطاقة. تتميز هذه الهياكل بخصائص مكسب مُحسَّنة واستقرار في الطول الموجي، مما يجعلها محورًا بحثيًا هامًا للجيل القادم من ليزرات أشباه الموصلات عالية الأداء.
4. ماذا يحدد متوسط المكسب؟
①طول موجة الانبعاث
فجوة النطاق للمادة تحدد الليزر'طول الموجة s. على سبيل المثال، يُعدّ InGaAs مناسبًا لليزر القريب من الأشعة تحت الحمراء، بينما يُستخدم InGaN لليزر الأزرق أو البنفسجي.
②الكفاءة والقوة
تؤثر حركة الناقل ومعدلات إعادة التركيب غير الإشعاعي على كفاءة التحويل البصري إلى الكهربائي.
③الأداء الحراري
تستجيب المواد المختلفة لتغيرات درجات الحرارة بطرق مختلفة، مما يؤثر على موثوقية الليزر في البيئات الصناعية والعسكرية.
④استجابة التعديل
يؤثر وسط الكسب على الليزر'سرعة الاستجابة، وهو أمر بالغ الأهمية في تطبيقات الاتصالات عالية السرعة.
5. الخاتمة
في البنية المعقدة لليزر أشباه الموصلات، يكون وسط الكسب هو "قلبه" حقًا—ليس فقط مسؤولاً عن توليد الليزر، بل أيضاً عن التأثير على عمره الافتراضي واستقراره وتطبيقاته. من اختيار المواد إلى التصميم الهيكلي، ومن الأداء العياني إلى الآليات المجهرية، يدفع كل تقدم في مجال وسائط الكسب تكنولوجيا الليزر نحو أداء أفضل وتطبيقات أوسع واستكشافات أعمق.
مع التقدم المستمر في علم المواد وتكنولوجيا التصنيع النانوي، من المتوقع أن توفر وسائط الكسب المستقبلية سطوعًا أعلى وتغطية أوسع للطول الموجي وحلول ليزر أكثر ذكاءً.—فتح المزيد من الإمكانيات للعلم والصناعة والمجتمع.
وقت النشر: ١٧ يوليو ٢٠٢٥