Razmatranja dizajna zavisokosnažni poluvodički laser
Ovaj članak će sustavno razraditi ključna razmatranja dizajna i metode implementacije poluvodiča velike snage.laserNa temelju opće ideje „povećanja gornje granice snage proširenjem svjetlosnog volumena, optimiziranjem pretvorbe energije i putova disipacije uz izbjegavanje katastrofalnih optičkih oštećenja (COD)“, provedena je dubinska analiza iz 9 ključnih aspekata:
1. Široko područje emisije: Usvajanjem strukture širokog područja (kao što je povećanje širine područja emisije W s nekoliko mikrometara na 50-200 mikrometara), maksimalna izlazna snaga može se izravno linearno povećati, što je osnovna metoda za dobivanje izlazne snage jedne cijevi na razini vata ili čak desetaka vata, ali žrtvuje kvalitetu snopa.
2. Duga šupljina: Povećanje duljine šupljine ključno je za poboljšanje performansi električnog grijanja i postizanje učinkovitog rada s velikom snagom. Njegova srž leži u učinkovitom smanjenju toplinskog otpora i otpora uređaja, čime se potiskuje porast temperature spoja aktivnog područja, smanjuju učinci zasićenja snage i poboljšava izlazna snaga i učinkovitost.
3. Proširenje valovoda i asimetričnih optičkih šupljina: Proširivanjem raspodjele optičkog polja (npr. korištenjem asimetričnih struktura optičkih šupljina) može se smanjiti preklapanje između optičkog polja i područja s visokim gubitkom apsorpcije, što značajno smanjuje unutarnje gubitke, poboljšava kvantnu učinkovitost i smanjuje stvaranje topline. Istovremeno se može poboljšati i kvaliteta snopa u vertikalnom smjeru.
4. Faktor ispunjenja: U uređajima s svjetlećom trakom, faktor ispunjenja (omjer ukupne širine jedinice koja emitira svjetlost i ukupne širine trake) ključni je parametar za uravnoteženje gustoće izlazne snage i poteškoća upravljanja toplinom. Visoki faktor ispunjenja donosi visoku gustoću snage, ali zahtijeva izuzetno veliko odvođenje topline, dok je nizak faktor ispunjenja povoljniji za upravljanje toplinom i poboljšava pouzdanost.
6. Tehnologija zaštite čeone površine: Poboljšanje praga katastrofalnog oštećenja optičkog zrcala (COMD) čeone površine ključno je za probijanje uskog grla napajanja. Članak detaljnije opisuje tri glavne tehnologije:
6.1 Pasivizacija i premazivanje površine šupljine: Nanošenjem pasivizacijskih slojeva i premazivanjem filmova visoke reflektivnosti/antirefleksije, defekti površine šupljine se pasiviziraju, neradijativna rekombinacija se potiskuje, a COMD prag se značajno poboljšava.
6.2 Tehnologija neapsorpcijskog prozora: Korištenje hibridizacije kvantnih jama i drugih tehnika za stvaranje prozirnog područja prozora na čeonoj površini radi smanjenja apsorpcije svjetlosti i sprječavanja COMD-a.
6.3 Tehnologija zone bez ubrizgavanja na površini šupljine: Uvođenje zone bez ubrizgavanja struje blizu površine šupljine kako bi se smanjila koncentracija nosioca i neradijativna rekombinacija na površini šupljine.
7. Dizajn visokog sjaja: Uvode se dvije tehnike za postizanje visokog sjaja kako bi se riješio problem loše kvalitete snopa u laseru širokog područja:
7.1. Struktura konusa: Kombinacijom uskog "područja sjemena" valovoda na prednjem kraju i "područja pojačanja konusa" na stražnjem kraju, održava se kvaliteta snopa blizu granice difrakcije uz istovremeno pojačavanje snage.
7.2 Upravljanje modovima: Uvođenje mikrostruktura unutar širokog raspona za selektivno povećanje gubitka transverzalnih modova višeg reda, čime se poboljšava kvaliteta snopa.
8. Kvantna jama naprezanja i kompenzacija naprezanja: Uvođenje naprezanja u aktivno područje kvantne jame može optimizirati strukturu pojasa, povećati diferencijalno pojačanje, čime se smanjuje prag struje, poboljšava učinkovitost i poboljšavaju karakteristike na visokim temperaturama. Tehnologija kompenzacije naprezanja sprječava nakupljanje naprezanja i defekata rastom barijernih slojeva s suprotnim naprezanjem, osiguravajući kvalitetu materijala.
9. Napredno upravljanje toplinom i pakiranje s niskim naponom: Kao odgovor na izazove odvođenja topline koje donosi visoka gustoća snage, ovaj članak predstavlja nove materijale za hladnjake (kao što su dijamantni kompozitni materijali), mikrokanalne hladnjake i tehnologije pakiranja koje koriste materijale s niskim naponom na međupovršini kako bi se postigao ultra visok kapacitet odvođenja topline i poboljšala pouzdanost.
10. Distribuirani valovod: Kao shema intrinzičnog toplinskog upravljanja na razini čipa, ova struktura dijeli valovod s grebenom na zonu pobude i zonu pasivnog odvođenja topline duž duljine šupljine te konstruira poprečni toplinski kanal unutar čipa za učinkovito odvođenje topline, probijajući ograničenja tradicionalnih metoda odvođenja topline.
Sažetak i izgledi ističu da dizajn velike snagepoluvodički laserje višekriterijski optimizacijski problem koji uključuje elektricitet, optiku, termodinamiku i pouzdanost. Potrebno je postići najbolju ravnotežu između tri osnovna dizajna: širokog područja emisije, duge šupljine i proširenog valovoda, te tehnologija koje se bave trima glavnim izazovima: upravljanjem toplinom, oštećenjem čeone površine i kvalitetom snopa. Daljnje poboljšanje budućih performansi ovisit će o razvoju novih materijala, novih fizičkih mehanizama i novih proizvodnih procesa.
Vrijeme objave: 21. svibnja 2026.