Dengan kemajuan pesat teknologi optoelektronik, laser semikonduktor telah banyak digunakan di berbagai bidang seperti telekomunikasi, kedokteran, pengolahan industri, dan LiDAR, berkat efisiensi tinggi, ukuran kompak, dan kemudahan modulasinya. Inti dari teknologi ini terletak pada medium penguatan, yang memainkan peran yang sangat penting. Medium ini berfungsi sebagai“sumber energi”yang memungkinkan emisi terstimulasi dan pembangkitan laser, menentukan laser'kinerja, panjang gelombang, dan potensi aplikasinya.
1. Apa Itu Media Penguatan (Gain Medium)?
Sesuai namanya, medium penguat adalah material yang menyediakan penguatan optik. Ketika dirangsang oleh sumber energi eksternal (seperti injeksi listrik atau pemompaan optik), ia memperkuat cahaya yang datang melalui mekanisme emisi terstimulasi, yang menghasilkan keluaran laser.
Pada laser semikonduktor, medium penguatan biasanya terdiri dari daerah aktif pada sambungan PN, yang komposisi material, struktur, dan metode dopingnya secara langsung memengaruhi parameter-parameter kunci seperti arus ambang, panjang gelombang emisi, efisiensi, dan karakteristik termal.
2. Material Penguat Umum pada Laser Semikonduktor
Semikonduktor senyawa III-V adalah material penguat yang paling umum digunakan. Contoh tipikalnya meliputi:
①GaAs (Galium Arsenida)
Cocok untuk laser yang memancarkan cahaya pada rentang 850–Rentang 980 nm, banyak digunakan dalam komunikasi optik dan pencetakan laser.
②InP (Indium Fosfida)
Digunakan untuk emisi pada pita 1,3 µm dan 1,55 µm, sangat penting untuk komunikasi serat optik.
③InGaAsP / AlGaAs / InGaN
Komposisinya dapat disesuaikan untuk mencapai panjang gelombang yang berbeda, sehingga menjadi dasar untuk desain laser dengan panjang gelombang yang dapat diatur.
Material-material ini biasanya memiliki struktur celah pita langsung, sehingga sangat efisien dalam rekombinasi elektron-lubang dengan emisi foton, ideal untuk digunakan dalam medium penguatan laser semikonduktor.
3. Evolusi Struktur Keuntungan
Seiring kemajuan teknologi fabrikasi, struktur penguatan pada laser semikonduktor telah berevolusi dari homojunction awal menjadi heterojunction, dan selanjutnya menjadi konfigurasi sumur kuantum dan titik kuantum yang lebih canggih.
①Medium Penguatan Heterojunction
Dengan menggabungkan material semikonduktor dengan celah pita yang berbeda, pembawa muatan dan foton dapat secara efektif dikurung di wilayah yang ditentukan, sehingga meningkatkan efisiensi penguatan dan mengurangi arus ambang batas.
②Struktur Sumur Kuantum
Dengan mengurangi ketebalan daerah aktif hingga skala nanometer, elektron terkurung dalam dua dimensi, sehingga secara signifikan meningkatkan efisiensi rekombinasi radiatif. Hal ini menghasilkan laser dengan arus ambang yang lebih rendah dan stabilitas termal yang lebih baik.
③Struktur Titik Kuantum
Dengan menggunakan teknik perakitan mandiri, nanostruktur berdimensi nol dibentuk, yang memberikan distribusi tingkat energi yang tajam. Struktur ini menawarkan karakteristik penguatan yang lebih baik dan stabilitas panjang gelombang, menjadikannya pusat penelitian untuk laser semikonduktor berkinerja tinggi generasi berikutnya.
4. Apa yang Ditentukan oleh Medium Penguatan?
①Panjang Gelombang Emisi
Celah pita energi material menentukan laser.'panjang gelombang. Misalnya, InGaAs cocok untuk laser inframerah dekat, sedangkan InGaN digunakan untuk laser biru atau ungu.
②Efisiensi & Daya
Mobilitas pembawa muatan dan laju rekombinasi non-radiatif memengaruhi efisiensi konversi optik-ke-listrik.
③Kinerja Termal
Berbagai material bereaksi terhadap perubahan suhu dengan cara yang berbeda, sehingga memengaruhi keandalan laser di lingkungan industri dan militer.
④Respons Modulasi
Medium penguat memengaruhi laser.'Kecepatan respons, yang sangat penting dalam aplikasi komunikasi berkecepatan tinggi.
5. Kesimpulan
Dalam struktur kompleks laser semikonduktor, medium penguat benar-benar merupakan "jantungnya".—Tidak hanya bertanggung jawab untuk menghasilkan laser, tetapi juga memengaruhi masa pakainya, stabilitas, dan skenario aplikasinya. Mulai dari pemilihan material hingga desain struktural, dari kinerja makroskopis hingga mekanisme mikroskopis, setiap terobosan dalam medium penguat mendorong teknologi laser menuju kinerja yang lebih tinggi, aplikasi yang lebih luas, dan eksplorasi yang lebih mendalam.
Dengan kemajuan berkelanjutan dalam ilmu material dan teknologi nanofabrikasi, medium penguat di masa depan diharapkan menghadirkan kecerahan yang lebih tinggi, cakupan panjang gelombang yang lebih luas, dan solusi laser yang lebih cerdas.—Membuka lebih banyak kemungkinan bagi sains, industri, dan masyarakat.
Waktu posting: 17 Juli 2025