Úvahy o dizajne prevysokovýkonný polovodičový laser
Tento článok systematicky rozoberie základné aspekty návrhu a implementačné metódy vysokovýkonných polovodičov.laserNa základe všeobecnej myšlienky „zvýšenia hornej hranice výkonu rozšírením svetelného objemu, optimalizáciou ciest premeny energie a rozptylu a zároveň zabránením katastrofickému optickému poškodeniu (COD)“ bola vykonaná hĺbková analýza z 9 kľúčových aspektov:
1. Široká emisná oblasť: Použitím štruktúry so širokou oblasťou (napríklad zvýšením šírky emisnej oblasti W z niekoľkých mikrometrov na 50 – 200 mikrometrov) je možné priamo lineárne zvýšiť maximálny výstupný výkon, čo je základná metóda na dosiahnutie výkonu jednej trubice na úrovni wattov alebo dokonca desiatok wattov, ale obetuje sa tým kvalita lúča.
2. Dlhá dutina: Zväčšenie dĺžky dutiny je kľúčom k zlepšeniu výkonu elektrického ohrevu a dosiahnutiu efektívnej a vysokovýkonnej prevádzky. Jeho podstatou je efektívne zníženie tepelného odporu a odporu zariadenia, čím sa potláča nárast teploty spoja aktívnej oblasti, znižujú sa účinky saturácie výkonu a zlepšuje sa výstupný výkon a účinnosť.
3. Rozšírenie vlnovodov a asymetrických optických dutín: Rozšírením rozloženia optického poľa (napríklad použitím asymetrických štruktúr optických dutín) je možné znížiť prekrytie medzi optickým poľom a oblasťami s vysokou stratou absorpcie, čím sa výrazne znížia vnútorné straty, zlepší kvantová účinnosť a zníži sa tvorba tepla. Zároveň sa môže zlepšiť aj kvalita lúča vo vertikálnom smere.
4. Faktor plnenia: V tyčových zariadeniach je faktor plnenia (pomer celkovej šírky jednotky vyžarujúcej svetlo k celkovej šírke tyče) základným parametrom pre vyváženie hustoty výstupného výkonu a náročnosti tepelného manažmentu. Vysoký faktor plnenia prináša vysokú hustotu výkonu, ale vyžaduje extrémne vysoký odvod tepla, zatiaľ čo nízky faktor plnenia je priaznivejší pre tepelný manažment a zlepšuje spoľahlivosť.
6. Technológia ochrany čelnej plochy: Zlepšenie prahu katastrofického poškodenia optického zrkadla (COMD) čelnej plochy je kľúčom k prekonaniu úzkeho hrdla napájania. Článok sa venuje trom hlavným technológiám:
6.1 Pasivácia a povlakovanie povrchu dutiny: Nanesením pasivačných vrstiev a povlakovaním filmov s vysokou odrazivosťou/antireflexom sa pasivujú defekty povrchu dutiny, potláča sa neradiačná rekombinácia a výrazne sa zlepšuje prah COMD.
6.2 Technológia neabsorpčného okna: Použitie hybridizácie kvantových jam a iných techník na vytvorenie priehľadnej oblasti okna na čelnej ploche, aby sa znížila absorpcia svetla a zabránilo sa COMD.
6.3 Technológia neinjektážnej zóny na povrchu dutiny: Zavedenie prúdovej neinjektážnej zóny v blízkosti povrchu dutiny na zníženie koncentrácie nosičov náboja a neradiačnej rekombinácie na povrchu dutiny.
7. Návrh s vysokým jasom: Na riešenie problému nízkej kvality lúča v laserovom žiariči so širokým dosahom sa zavádzajú dve techniky na dosiahnutie vysokého jasu:
7.1. Štruktúra kužeľa: Kombináciou úzkej „oblasti zárodku“ vlnovodu na prednom konci a „oblasti zosilnenia kužeľa“ na zadnom konci sa zachováva kvalita lúča blízka difrakčnému limitu a zároveň sa zosilňuje výkon.
7.2 Riadenie módov: Zavedenie mikroštruktúr v širokom rozsahu na selektívne zvýšenie straty transverzálnych módov vyššieho rádu, čím sa zlepší kvalita lúča.
8. Kvantová jamka s deformáciou a kompenzácia deformácie: Zavedenie deformácie do aktívnej oblasti kvantovej jamy môže optimalizovať štruktúru pásma, zvýšiť diferenciálny zisk, čím sa zníži prahový prúd, zlepší sa účinnosť a zlepšia sa charakteristiky pri vysokých teplotách. Technológia kompenzácie deformácie zabraňuje akumulácii deformácie a defektov rastom bariérových vrstiev s opačným deformačným napätím, čím sa zabezpečí kvalita materiálu.
9. Pokročilý tepelný manažment a balenie s nízkym napätím: V reakcii na výzvy v oblasti odvodu tepla, ktoré prináša vysoká hustota výkonu, tento článok predstavuje nové materiály chladiča (ako napríklad diamantové kompozitné materiály), mikrokanálové chladiče a technológie balenia využívajúce materiály s nízkym napätím na dosiahnutie ultravysokej kapacity odvodu tepla a zlepšenie spoľahlivosti.
10. Distribuovaný vlnovod: Ako schéma vnútorného tepelného riadenia na úrovni čipu táto štruktúra rozdeľuje hrebeňový vlnovod na excitačnú zónu a pasívnu zónu rozptylu tepla pozdĺž dĺžky dutiny a vytvára priečny tepelný kanál vo vnútri čipu na efektívne rozptyľovanie tepla, čím prekonáva obmedzenia tradičných metód rozptylu tepla.
Zhrnutie a výhľad poukazujú na to, že návrh vysokovýkonnýchpolovodičový laserje viacúčelový optimalizačný problém zahŕňajúci elektrinu, optiku, termodynamiku a spoľahlivosť. Je potrebné dosiahnuť najlepšiu rovnováhu medzi tromi základnými konštrukciami - širokou emisnou plochou, dlhou dutinou a rozšíreným vlnovodom - a technológiami, ktoré sa zaoberajú tromi hlavnými výzvami: tepelným manažmentom, poškodením čelnej plochy a kvalitou lúča. Ďalšie zlepšenie budúceho výkonu bude závisieť od vývoja nových materiálov, nových fyzikálnych mechanizmov a nových výrobných procesov.
Čas uverejnenia: 21. mája 2026