Consideracións de deseño para láseres semicondutores de alta potencia

Consideracións de deseño paraláser semiconductor de alta potencia
Este artigo explicará sistematicamente as consideracións de deseño central e os métodos de implementación de semicondutores de alta potencia.láserBaseándose na idea xeral de «aumentar o límite superior de potencia expandindo o volume luminoso, optimizando as rutas de conversión e disipación de enerxía e evitando danos ópticos catastróficos (COD)», realizouse unha análise exhaustiva de 9 aspectos clave:
1. Área de emisión ampla: Ao adoptar unha estrutura de área ampla (como aumentar o ancho W da área de emisión duns poucos micrómetros a 50-200 micrómetros), a potencia de saída máxima pode aumentarse directamente linealmente, o que é o método básico para obter unha saída dun só tubo ao nivel de vatios ou incluso decenas de vatios, pero sacrifica a calidade do feixe.
2. Cavidade longa: Aumentar a lonxitude da cavidade é a clave para mellorar o rendemento do quentamento eléctrico e lograr un funcionamento eficiente e de alta potencia. O seu núcleo reside en reducir eficazmente a resistencia térmica e a resistencia do dispositivo, suprimindo así o aumento de temperatura da unión da rexión activa, reducindo os efectos de saturación de potencia e mellorando a potencia e a eficiencia de saída.
3. Ampliación das guías de onda e das cavidades ópticas asimétricas: ao ampliar a distribución do campo óptico (como o uso de estruturas de cavidades ópticas asimétricas), pódese reducir a superposición entre o campo óptico e as áreas de alta perda de absorción, o que reduce significativamente as perdas internas, mellora a eficiencia cuántica e reduce a xeración de calor. Ao mesmo tempo, tamén se pode mellorar a calidade do feixe na dirección vertical.
4. Factor de recheo: Nos dispositivos de barra, o factor de recheo (a relación entre o ancho total da unidade emisora ​​de luz e o ancho total da barra) é o parámetro central para equilibrar a densidade de potencia de saída e a dificultade da xestión térmica. Un factor de recheo alto achega unha alta densidade de potencia, pero require unha disipación de calor extremadamente alta, mentres que un factor de recheo baixo favorece mellor a xestión térmica e mellora a fiabilidade.
6. Tecnoloxía de protección da cara final: Mellorar o limiar de dano catastrófico do espello óptico (COMD) da cara final é a clave para superar o gargalo de enerxía. O artigo detalla tres tecnoloxías principais:
6.1 Pasivación e revestimento da superficie da cavidade: Ao depositar capas de pasivación e revestir películas de alta reflectividade/antirreflexión, os defectos da superficie da cavidade pasívanse, suprímese a recombinación non radiativa e o limiar de COMD mellórase significativamente.
6.2 Tecnoloxía de fiestras sen absorción: Emprega a hibridación de pozos cuánticos e outras técnicas para formar unha rexión de fiestra transparente na cara final para reducir a absorción de luz e evitar a COMD.
6.3 Tecnoloxía de zona sen inxección na superficie da cavidade: Introducir unha zona sen inxección de corrente preto da superficie da cavidade para reducir a concentración de portadores e a recombinación non radiativa na superficie da cavidade.
7. Deseño de alto brillo: Introdúcense dúas técnicas para obter unha saída de alto brillo para abordar o problema da mala calidade do feixe nos láseres de área ampla:
7.1. Estrutura cónica: Ao combinar a "área semente" da guía de ondas estreita no extremo dianteiro e a "área de amplificación cónica" no extremo traseiro, mantense a calidade do feixe próxima ao límite de difracción mentres se amplifica a potencia.
7.2 Control de modo: Introdución de microestruturas dentro dun amplo rango para aumentar selectivamente a perda de modos transversais de orde superior, mellorando así a calidade do feixe.

8. Pozo cuántico de deformación e compensación de deformación: a introdución de deformación na rexión activa do pozo cuántico pode optimizar a estrutura da banda, mellorar a ganancia diferencial, reducindo así a corrente limiar, mellorando a eficiencia e potenciando as características de alta temperatura. A tecnoloxía de compensación de deformación impide a acumulación de deformación e defectos mediante o crecemento de capas de barreira con deformación oposta, garantindo a calidade do material.
9. Xestión térmica avanzada e empaquetado de baixa tensión: en resposta aos desafíos de disipación de calor que supón a alta densidade de potencia, este artigo presenta novos materiais de disipación de calor (como materiais compostos de diamante), refrixeradores de microcanles e tecnoloxías de empaquetado que empregan materiais de interface de baixa tensión para lograr unha capacidade de disipación de calor ultraalta e mellorar a fiabilidade.
10. Guía de ondas distribuída: como esquema de xestión térmica intrínseca a nivel de chip, esta estrutura divide a guía de ondas de crista nunha zona de excitación e unha zona de disipación de calor pasiva ao longo da lonxitude da cavidade, e constrúe un canal de calor transversal dentro do chip para disipar a calor de forma eficiente, superando as limitacións dos métodos tradicionais de disipación de calor.
O resumo e as perspectivas sinalan que o deseño de alta potencialáser semicondutoré un problema de optimización multiobxectivo que implica electricidade, óptica, termodinámica e fiabilidade. É necesario acadar o mellor equilibrio entre os tres deseños básicos de área de emisión ampla, cavidade longa e guía de ondas ampliada, e as tecnoloxías que abordan os tres principais desafíos da xestión térmica, os danos na cara final e a calidade do feixe. A mellora adicional do rendemento futuro dependerá do desenvolvemento de novos materiais, novos mecanismos físicos e novos procesos de fabricación.