Razmatranja dizajna zavisokosnažni poluprovodnički laser
Ovaj članak će sistematski obraditi osnovna razmatranja dizajna i metode implementacije poluprovodnika velike snage.laserNa osnovu opšte ideje „povećanja gornje granice snage proširenjem svjetlosnog volumena, optimizacijom konverzije energije i puteva 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 sa nekoliko mikrometara na 50-200 mikrometara), maksimalna izlazna snaga može se direktno linearno povećati, što je osnovna metoda za dobijanje izlazne snage jedne cijevi na nivou vata ili čak desetina vati, ali žrtvuje kvalitet snopa.
2. Duga šupljina: Povećanje dužine šupljine ključno je za poboljšanje performansi električnog grijanja i postizanje efikasnog rada velike snage. Njegova suština leži u efikasnom smanjenju termičkog otpora i otpornosti uređaja, čime se suzbija porast temperature spoja aktivne regije, smanjuju efekti zasićenja snage i poboljšava izlazna snaga i efikasnost.
3. Proširenje talasovoda i asimetričnih optičkih šupljina: Proširivanjem distribucije optičkog polja (kao što je korištenje asimetričnih struktura optičkih šupljina), preklapanje između optičkog polja i područja s visokim gubicima apsorpcije može se smanjiti, značajno smanjujući unutrašnje gubitke, poboljšavajući kvantnu efikasnost i smanjujući stvaranje toplote. Istovremeno, može se poboljšati i kvalitet snopa u vertikalnom smjeru.
4. Faktor punjenja: Kod uređaja sa linijskim rasvjetnim elementima, faktor punjenja (odnos ukupne širine jedinice koja emitira svjetlost i ukupne širine linijskog rasvjetnog elementa) je ključni parametar za uravnoteženje gustoće izlazne snage i poteškoća u upravljanju toplinom. Visok faktor punjenja donosi visoku gustoću snage, ali zahtijeva izuzetno veliko odvođenje topline, dok nizak faktor punjenja pogoduje upravljanju toplinom i poboljšava pouzdanost.
6. Tehnologija zaštite čeone površine: Poboljšanje praga katastrofalnog oštećenja optičkog ogledala (COMD) čeone površine ključno je za prevazilaženje 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 na površini šupljine se pasiviziraju, neradijativna rekombinacija se potiskuje i COMD prag se značajno poboljšava.
6.2 Tehnologija neapsorpcijskog prozora: Korištenje hibridizacije kvantnih jama i drugih tehnika za formiranje prozirnog područja prozora na čeonoj površini radi smanjenja apsorpcije svjetlosti i sprječavanja COMD-a.
6.3 Tehnologija zone bez injektiranja na površini šupljine: Uvođenje zone bez injektiranja 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 lošeg kvaliteta snopa kod lasera širokog područja:
7.1. Struktura konusa: Kombinacijom "područja sjemena" uskog talasovoda na prednjem kraju i "područja pojačanja konusa" na zadnjem kraju, održava se kvalitet snopa blizu granice difrakcije, a istovremeno se pojačava snaga.
7.2 Kontrola moda: Uvođenje mikrostruktura u širokom rasponu radi selektivnog povećanja gubitka transverzalnih modova višeg reda, čime se poboljšava kvalitet 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 efikasnost i poboljšavaju karakteristike na visokim temperaturama. Tehnologija kompenzacije naprezanja sprječava akumulaciju naprezanja i defekata rastom barijernih slojeva sa suprotnim naprezanjem, osiguravajući kvalitet 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 dijamantski kompozitni materijali), mikrokanalne hladnjake i tehnologije pakiranja koje koriste materijale za međupovršine s niskim naponom kako bi se postigao ultra visok kapacitet odvođenja topline i poboljšala pouzdanost.
10. Distribuirani talasovod: Kao intrinzična shema upravljanja toplotom na nivou čipa, ova struktura dijeli grebenski talasovod na zonu pobude i zonu pasivnog odvođenja toplote duž dužine šupljine, te konstruiše poprečni toplotni kanal unutar čipa kako bi efikasno odveo toplotu, probijajući ograničenja tradicionalnih metoda odvođenja toplote.
Sažetak i pregled ističu da dizajn velike snagepoluprovodnički 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 tri glavna izazova: 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. maj 2026.