Considerazioni di progettazione perlaser a semiconduttore ad alta potenza
Questo articolo elaborerà sistematicamente le considerazioni di progettazione fondamentali e i metodi di implementazione dei semiconduttori ad alta potenzalaserPartendo dall'idea generale di "aumentare il limite superiore di potenza espandendo il volume luminoso, ottimizzando i percorsi di conversione e dissipazione dell'energia ed evitando danni ottici catastrofici (COD)", è stata condotta un'analisi approfondita da 9 punti chiave:
1. Ampia area di emissione: adottando una struttura ad ampia area (come ad esempio aumentando la larghezza dell'area di emissione W da pochi micrometri a 50-200 micrometri), la potenza di uscita massima può essere aumentata direttamente in modo lineare, che è il metodo di base per ottenere una potenza di uscita del singolo tubo a livello di watt o addirittura decine di watt, ma a scapito della qualità del fascio.
2. Cavità allungata: L'aumento della lunghezza della cavità è fondamentale per migliorare le prestazioni di riscaldamento elettrico e ottenere un funzionamento efficiente e ad alta potenza. Il suo punto chiave è la riduzione efficace della resistenza termica e della resistenza del dispositivo, sopprimendo così l'aumento di temperatura della giunzione della regione attiva, riducendo gli effetti di saturazione della potenza e migliorando la potenza di uscita e l'efficienza.
3. Allargamento delle guide d'onda e delle cavità ottiche asimmetriche: Allargando la distribuzione del campo ottico (ad esempio, utilizzando strutture di cavità ottiche asimmetriche), è possibile ridurre la sovrapposizione tra il campo ottico e le aree ad alta perdita di assorbimento, diminuendo significativamente le perdite interne, migliorando l'efficienza quantica e riducendo la generazione di calore. Allo stesso tempo, è possibile migliorare anche la qualità del fascio in direzione verticale.
4. Fattore di riempimento: Nei dispositivi a barra, il fattore di riempimento (il rapporto tra la larghezza totale dell'unità emettitrice di luce e la larghezza totale della barra) è il parametro fondamentale per bilanciare la densità di potenza in uscita e la difficoltà di gestione termica. Un fattore di riempimento elevato comporta un'alta densità di potenza ma richiede una dissipazione del calore estremamente elevata, mentre un fattore di riempimento basso è più favorevole alla gestione termica e migliora l'affidabilità.
6. Tecnologia di protezione della superficie terminale: Migliorare la soglia di danno ottico catastrofico dello specchio (COMD) della superficie terminale è fondamentale per superare il collo di bottiglia energetico. L'articolo illustra tre tecnologie principali:
6.1 Passivazione e rivestimento della superficie della cavità: depositando strati di passivazione e rivestendo la cavità con pellicole ad alta riflettività/antiriflesso, i difetti della superficie della cavità vengono passivati, la ricombinazione non radiativa viene soppressa e la soglia COMD viene significativamente migliorata.
6.2 Tecnologia della finestra non assorbente: Utilizzo dell'ibridazione a pozzo quantico e di altre tecniche per formare una regione finestra trasparente sulla faccia terminale al fine di ridurre l'assorbimento della luce e prevenire il COMD.
6.3 Tecnologia della zona di non iniezione sulla superficie della cavità: Introduzione di una zona di non iniezione di corrente in prossimità della superficie della cavità per ridurre la concentrazione dei portatori e la ricombinazione non radiativa sulla superficie della cavità.
7. Progettazione ad alta luminosità: vengono introdotte due tecniche per ottenere un'elevata luminosità in uscita al fine di risolvere il problema della scarsa qualità del fascio nei laser ad ampia area:
7.1. Struttura a cono: Combinando la stretta "area di innesco" della guida d'onda all'estremità anteriore e l'"area di amplificazione a cono" all'estremità posteriore, si mantiene una qualità del fascio prossima al limite di diffrazione durante l'amplificazione della potenza.
7.2 Controllo della modalità: Introduzione di microstrutture in un ampio intervallo per aumentare selettivamente la perdita delle modalità trasversali di ordine superiore, migliorando così la qualità del fascio.
8. Pozzo quantico di deformazione e compensazione della deformazione: l'introduzione di una deformazione nella regione attiva del pozzo quantico può ottimizzare la struttura a bande, migliorare il guadagno differenziale, riducendo così la corrente di soglia, migliorando l'efficienza e potenziando le caratteristiche ad alta temperatura. La tecnologia di compensazione della deformazione previene l'accumulo di deformazione e difetti mediante la crescita di strati barriera con deformazione opposta, garantendo la qualità del materiale.
9. Gestione termica avanzata e confezionamento a bassa sollecitazione: in risposta alle sfide di dissipazione del calore poste dall'elevata densità di potenza, questo articolo introduce nuovi materiali per dissipatori di calore (come i materiali compositi diamantati), sistemi di raffreddamento a microcanali e tecnologie di confezionamento che utilizzano materiali di interfaccia a bassa sollecitazione per ottenere una capacità di dissipazione del calore ultraelevata e migliorare l'affidabilità.
10. Guida d'onda distribuita: come schema di gestione termica intrinseca a livello di chip, questa struttura divide la guida d'onda a cresta in una zona di eccitazione e una zona di dissipazione del calore passiva lungo la lunghezza della cavità, e costruisce un canale termico trasversale all'interno del chip per dissipare il calore in modo efficiente, superando i limiti dei metodi tradizionali di dissipazione del calore.
Il riassunto e le prospettive indicano che la progettazione di alta potenzalaser a semiconduttoreSi tratta di un problema di ottimizzazione multi-obiettivo che coinvolge elettricità, ottica, termodinamica e affidabilità. È necessario raggiungere il miglior equilibrio tra i tre progetti di base (ampia area di emissione, cavità lunga e guida d'onda allargata) e le tecnologie che affrontano le tre principali sfide della gestione termica, del danneggiamento della superficie terminale e della qualità del fascio. L'ulteriore miglioramento delle prestazioni future dipenderà dallo sviluppo di nuovi materiali, nuovi meccanismi fisici e nuovi processi di produzione.
Data di pubblicazione: 21 maggio 2026