Návrhové aspekty provysoce výkonný polovodičový laser
Tento článek systematicky rozvede základní konstrukční aspekty a metody implementace vysoce výkonných polovodičů.laserNa základě obecné myšlenky „zvýšení horní hranice výkonu rozšířením světelného objemu, optimalizací cest přeměny energie a rozptylu a zároveň zabráněním katastrofickému optickému poškození (COD)“ byla provedena hloubková analýza z 9 klíčových aspektů:
1. Široká emisní oblast: Použitím struktury s širokou oblastí (například zvětšením šířky emisní oblasti W z několika mikrometrů na 50–200 mikrometrů) lze lineárně zvýšit maximální výstupní výkon, což je základní metoda pro dosažení výkonu jedné trubice na úrovni wattů nebo dokonce desítek wattů, ale obětuje se tím kvalita paprsku.
2. Dlouhá dutina: Zvětšení délky dutiny je klíčem ke zlepšení výkonu elektrického ohřevu a dosažení efektivního a výkonného provozu. Jeho jádrem je efektivní snížení tepelného odporu a odporu součástky, čímž se potlačuje nárůst teploty na spoji aktivní oblasti, snižují se účinky saturace výkonu a zlepšuje se výstupní výkon a účinnost.
3. Rozšíření vlnovodů a asymetrických optických dutin: Rozšířením rozložení optického pole (například použitím asymetrických struktur optických dutin) lze snížit překrytí mezi optickým polem a oblastmi s vysokou absorpční ztrátou, což výrazně snižuje vnitřní ztráty, zlepšuje kvantovou účinnost a snižuje tvorbu tepla. Zároveň lze zlepšit kvalitu paprsku ve vertikálním směru.
4. Činitel plnění: U svítidel s lištami je činitel plnění (poměr celkové šířky světelné jednotky k celkové šířce lišty) klíčovým parametrem pro vyvážení hustoty výstupního výkonu a obtížnosti tepelného řízení. Vysoký činitel plnění přináší vysokou hustotu výkonu, ale vyžaduje extrémně vysoký odvod tepla, zatímco nízký činitel plnění je pro tepelné řízení příznivější a zvyšuje spolehlivost.
6. Technologie ochrany čelní plochy: Zlepšení prahu katastrofického poškození optického zrcadla (COMD) čelní plochy je klíčem k překonání úzkého hrdla napájení. Článek se zabývá třemi hlavními technologiemi:
6.1 Pasivace a povlakování povrchu dutiny: Nanesením pasivačních vrstev a povlakováním filmů s vysokou odrazivostí/antireflexí se pasivují defekty povrchu dutiny, potlačuje se neradiační rekombinace a výrazně se zlepšuje práh COMD.
6.2 Technologie neabsorpčního okna: Použití hybridizace kvantových jám a dalších technik k vytvoření průhledné oblasti okna na čelní ploše, aby se snížila absorpce světla a zabránilo se COMD.
6.3 Technologie neinjektážní zóny na povrchu dutiny: Zavedení neinjektážní zóny proudu poblíž povrchu dutiny pro snížení koncentrace nosičů náboje a neradiační rekombinace na povrchu dutiny.
7. Návrh s vysokým jasem: Pro řešení problému nízké kvality paprsku u laseru s velkým dosahem jsou představeny dvě techniky pro dosažení vysokého jasu:
7.1. Struktura kužele: Kombinací úzké „oblasti zárodku“ vlnovodu na předním konci a „oblasti zesilování kužele“ na zadním konci je zachována kvalita paprsku blízká difrakční mezi a zároveň je zesilován výkon.
7.2 Řízení módů: Zavedení mikrostruktur v širokém rozsahu pro selektivní zvýšení ztráty transverzálních módů vyššího řádu, čímž se zlepší kvalita paprsku.
8. Kvantová jáma s deformací a kompenzace deformace: Zavedení deformace do aktivní oblasti kvantové jámy může optimalizovat pásmovou strukturu, zvýšit diferenciální zesílení, a tím snížit prahový proud, zlepšit účinnost a vylepšit charakteristiky při vysokých teplotách. Technologie kompenzace deformace zabraňuje akumulaci deformace a defektů růstem bariérových vrstev s opačným napětím, čímž zajišťuje kvalitu materiálu.
9. Pokročilý tepelný management a nízkopásmové balení: V reakci na problémy s odvodem tepla, které přináší vysoká hustota výkonu, tento článek představuje nové materiály pro chladiče (jako jsou diamantové kompozitní materiály), mikrokanálové chladiče a technologie balení využívající nízkopásmové materiály rozhraní pro dosažení ultra vysoké kapacity odvodu tepla a zlepšení spolehlivosti.
10. Distribuovaný vlnovod: Tato struktura, která je systémem vnitřního tepelného řízení na úrovni čipu, rozděluje hřebenový vlnovod na excitační zónu a pasivní zónu odvodu tepla podél délky dutiny a uvnitř čipu vytváří příčný tepelný kanál pro efektivní odvod tepla, čímž překonává omezení tradičních metod odvodu tepla.
Shrnutí a výhled poukazují na to, že návrh vysoce výkonnýchpolovodičový laserje vícekriteriální optimalizační problém zahrnující elektřinu, optiku, termodynamiku a spolehlivost. Je nezbytné dosáhnout nejlepší rovnováhy mezi třemi základními konstrukcemi - širokou emisní plochou, dlouhou dutinou a rozšířeným vlnovodem - a technologiemi, které se zabývají třemi hlavními výzvami: tepelným managementem, poškozením čelní plochy a kvalitou paprsku. Další zlepšení budoucího výkonu bude záviset na vývoji nových materiálů, nových fyzikálních mechanismů a nových výrobních procesů.
Čas zveřejnění: 21. května 2026