Міркування щодо проектуванняпотужний напівпровідниковий лазер
У цій статті систематично розглянуто основні міркування щодо проектування та методи реалізації потужних напівпровідників.лазерҐрунтуючись на загальній ідеї «збільшення верхньої межі потужності шляхом розширення світлового об’єму, оптимізації шляхів перетворення та розсіювання енергії, уникаючи при цьому катастрофічних оптичних пошкоджень (КОП)», було проведено поглиблений аналіз з 9 ключових аспектів:
1. Широка область випромінювання: Завдяки застосуванню структури широкої області (наприклад, збільшення ширини області випромінювання W з кількох мікрометрів до 50-200 мікрометрів) максимальну вихідну потужність можна безпосередньо лінійно збільшити, що є основним методом отримання вихідної потужності однієї трубки на рівні ват або навіть десятків ват, але це погіршує якість променя.
2. Довгий резонатор: Збільшення довжини резонатора є ключем до покращення характеристик електричного нагріву та досягнення ефективної роботи з високою потужністю. Його суть полягає в ефективному зменшенні теплового опору та опору пристрою, тим самим пригнічуючи підвищення температури переходу активної області, зменшуючи ефекти насичення потужності та покращуючи вихідну потужність та ефективність.
3. Розширення хвилеводів та асиметричних оптичних резонаторів: Розширення розподілу оптичного поля (наприклад, використання асиметричних структур оптичних резонаторів) дозволяє зменшити перекриття між оптичним полем та областями з високими втратами поглинання, що значно зменшує внутрішні втрати, покращує квантову ефективність та зменшує виділення тепла. Водночас також можна покращити якість променя у вертикальному напрямку.
4. Коефіцієнт заповнення: У світлодіодних пристроях коефіцієнт заповнення (співвідношення загальної ширини світловипромінювального блоку до загальної ширини світлодіодної панелі) є основним параметром для балансування щільності вихідної потужності та складності терморегуляції. Високий коефіцієнт заповнення забезпечує високу щільність потужності, але вимагає надзвичайно високої тепловіддачі, тоді як низький коефіцієнт заповнення краще сприяє терморегуляції та підвищує надійність.
6. Технологія захисту торцевої поверхні: Покращення порогу катастрофічного пошкодження оптичного дзеркала (COMD) торцевої поверхні є ключем до подолання вузького місця в енергоспоживанні. У статті детально розглядаються три основні технології:
6.1 Пасивація та покриття поверхні порожнини: Шляхом нанесення пасиваційних шарів та покриття плівок з високою відбивною/антивідбивною здатністю, дефекти поверхні порожнини пасивуються, невипромінювальна рекомбінація пригнічується, а поріг COMD значно покращується.
6.2 Технологія неабсорбційного вікна: Використання гібридизації квантових ям та інших методів для формування прозорої області вікна на торці, щоб зменшити поглинання світла та запобігти COMD.
6.3 Технологія безінжекційної зони на поверхні порожнини: Введення зони без інжекції струму поблизу поверхні порожнини для зменшення концентрації носіїв заряду та невипромінювальної рекомбінації на поверхні порожнини.
7. Конструкція з високою яскравістю: Для вирішення проблеми низької якості променя в лазері широкого радіуса дії представлено два методи отримання високої яскравості випромінювання:
7.1. Конічна структура: Поєднання вузької хвилеводної «області зародка» на передньому кінці та «області конічного посилення» на задньому кінці забезпечує якість променя, близьку до дифракційної межі, одночасно підсилюючи потужність.
7.2 Керування модами: Введення мікроструктур у широкому діапазоні для вибіркового збільшення втрат поперечних мод вищого порядку, тим самим покращуючи якість променя.
8. Квантова яма деформації та компенсація деформації: Введення деформації в активну область квантової ями може оптимізувати зонну структуру, збільшити диференціальне посилення, тим самим зменшуючи пороговий струм, підвищуючи ефективність та покращуючи високотемпературні характеристики. Технологія компенсації деформації запобігає накопиченню деформації та дефектів шляхом нарощування бар'єрних шарів з протилежною деформацією, забезпечуючи якість матеріалу.
9. Удосконалене управління температурою та низьконапружена упаковка: У відповідь на проблеми розсіювання тепла, спричинені високою щільністю потужності, у цій статті представлені нові матеріали для радіаторів (такі як алмазні композитні матеріали), мікроканальні охолоджувачі та технології упаковки з використанням матеріалів інтерфейсу з низькою напруженістю для досягнення надвисокої здатності до розсіювання тепла та підвищення надійності.
10. Розподілений хвилевід: Як схема внутрішнього теплового управління на рівні кристала, ця структура поділяє ребристий хвилевід на зону збудження та пасивну зону розсіювання тепла вздовж довжини резонатора, а також створює поперечний тепловий канал всередині кристала для ефективного розсіювання тепла, долаючи обмеження традиційних методів розсіювання тепла.
У резюме та прогнозі вказано, що конструкція потужнихнапівпровідниковий лазер– це багатоцільова оптимізаційна задача, що охоплює електрику, оптику, термодинаміку та надійність. Необхідно досягти найкращого балансу між трьома основними конструкціями: широка область випромінювання, довгий резонатор та розширений хвилевод, а також технологіями, що вирішують три основні проблеми: управління температурою, пошкодження торця та якість променя. Подальше покращення майбутніх характеристик залежатиме від розробки нових матеріалів, нових фізичних механізмів та нових виробничих процесів.
Час публікації: 21 травня 2026 р.