Các yếu tố cần xem xét khi thiết kếlaser bán dẫn công suất cao
Bài viết này sẽ trình bày một cách hệ thống các yếu tố thiết kế cốt lõi và phương pháp triển khai của chất bán dẫn công suất cao.tia laserDựa trên ý tưởng chung về “tăng giới hạn công suất tối đa bằng cách mở rộng thể tích phát sáng, tối ưu hóa quá trình chuyển đổi và tản nhiệt năng lượng đồng thời tránh hư hỏng quang học nghiêm trọng (COD)”, một phân tích chuyên sâu đã được thực hiện từ 9 khía cạnh chính:
1. Vùng phát xạ rộng: Bằng cách áp dụng cấu trúc vùng phát xạ rộng (chẳng hạn như tăng chiều rộng vùng phát xạ W từ vài micromet lên 50-200 micromet), công suất đầu ra tối đa có thể tăng tuyến tính trực tiếp, đây là phương pháp cơ bản để đạt được công suất đầu ra của một ống ở mức watt hoặc thậm chí hàng chục watt, nhưng phương pháp này làm giảm chất lượng chùm tia.
2. Khoang cộng hưởng dài: Tăng chiều dài khoang cộng hưởng là chìa khóa để cải thiện hiệu suất gia nhiệt điện và đạt được hiệu quả hoạt động cao và công suất lớn. Cốt lõi nằm ở việc giảm hiệu quả điện trở nhiệt và điện trở của thiết bị, từ đó ngăn chặn sự tăng nhiệt độ của vùng tiếp giáp hoạt động, giảm hiệu ứng bão hòa công suất và cải thiện công suất đầu ra và hiệu suất.
3. Mở rộng ống dẫn sóng và khoang quang học bất đối xứng: Bằng cách mở rộng sự phân bố trường quang học (chẳng hạn như sử dụng cấu trúc khoang quang học bất đối xứng), sự chồng chéo giữa trường quang học và các vùng tổn hao hấp thụ cao có thể được giảm thiểu, làm giảm đáng kể tổn hao bên trong, cải thiện hiệu suất lượng tử và giảm sinh nhiệt. Đồng thời, chất lượng chùm tia theo phương thẳng đứng cũng có thể được cải thiện.
4. Hệ số lấp đầy: Trong các thiết bị dạng thanh, hệ số lấp đầy (tỷ lệ giữa tổng chiều rộng của bộ phát sáng và tổng chiều rộng của thanh) là thông số cốt lõi để cân bằng mật độ công suất đầu ra và độ khó quản lý nhiệt. Hệ số lấp đầy cao mang lại mật độ công suất cao nhưng đòi hỏi khả năng tản nhiệt cực cao, trong khi hệ số lấp đầy thấp thuận lợi hơn cho việc quản lý nhiệt và cải thiện độ tin cậy.
6. Công nghệ bảo vệ bề mặt cuối: Nâng cao ngưỡng hư hỏng gương quang học nghiêm trọng (COMD) của bề mặt cuối là chìa khóa để vượt qua nút thắt cổ chai về công suất. Bài viết này trình bày chi tiết ba công nghệ chính:
6.1 Xử lý thụ động và phủ lớp bề mặt khoang cộng hưởng: Bằng cách lắng đọng các lớp thụ động và phủ các lớp màng phản xạ/chống phản xạ cao, các khuyết tật trên bề mặt khoang cộng hưởng được xử lý thụ động, sự tái kết hợp không bức xạ bị triệt tiêu và ngưỡng COMD được cải thiện đáng kể.
6.2 Công nghệ cửa sổ không hấp thụ: Sử dụng kỹ thuật lai ghép giếng lượng tử và các kỹ thuật khác để tạo thành vùng cửa sổ trong suốt ở mặt cuối nhằm giảm sự hấp thụ ánh sáng và ngăn ngừa COMD.
6.3 Công nghệ vùng không tiêm điện trên bề mặt khoang cộng hưởng: Giới thiệu một vùng không tiêm điện gần bề mặt khoang cộng hưởng để giảm nồng độ hạt tải điện và sự tái kết hợp không bức xạ tại bề mặt khoang cộng hưởng.
7. Thiết kế độ sáng cao: Hai kỹ thuật để đạt được độ sáng cao được giới thiệu nhằm giải quyết vấn đề chất lượng chùm tia kém trong laser diện tích rộng:
7.1. Cấu trúc hình nón: Bằng cách kết hợp vùng dẫn sóng hẹp "vùng mầm" ở đầu trước và vùng khuếch đại hình nón ở đầu sau, chất lượng chùm tia gần với giới hạn nhiễu xạ được duy trì trong khi vẫn khuếch đại công suất.
7.2 Điều khiển chế độ: Giới thiệu các cấu trúc vi mô trong phạm vi rộng để tăng cường có chọn lọc sự suy giảm của các chế độ ngang bậc cao hơn, từ đó cải thiện chất lượng chùm tia.
8. Giếng lượng tử chịu ứng suất và bù ứng suất: Việc tạo ứng suất trong vùng hoạt động của giếng lượng tử có thể tối ưu hóa cấu trúc dải năng lượng, tăng cường độ khuếch đại vi sai, từ đó giảm dòng điện ngưỡng, cải thiện hiệu suất và nâng cao đặc tính ở nhiệt độ cao. Công nghệ bù ứng suất ngăn ngừa sự tích tụ ứng suất và khuyết tật bằng cách tạo ra các lớp chắn có ứng suất ngược chiều, đảm bảo chất lượng vật liệu.
9. Quản lý nhiệt tiên tiến và bao bì ứng suất thấp: Để giải quyết những thách thức về tản nhiệt do mật độ công suất cao gây ra, bài viết này giới thiệu các vật liệu tản nhiệt mới (như vật liệu composite kim cương), bộ làm mát vi kênh và công nghệ đóng gói sử dụng vật liệu giao diện ứng suất thấp nhằm đạt được khả năng tản nhiệt cực cao và cải thiện độ tin cậy.
10. Ống dẫn sóng phân tán: Là một phương án quản lý nhiệt nội tại ở cấp độ chip, cấu trúc này chia ống dẫn sóng dạng gờ thành vùng kích thích và vùng tản nhiệt thụ động dọc theo chiều dài khoang, và xây dựng một kênh dẫn nhiệt ngang bên trong chip để tản nhiệt hiệu quả, khắc phục những hạn chế của các phương pháp tản nhiệt truyền thống.
Bản tóm tắt và triển vọng chỉ ra rằng thiết kế công suất caolaser bán dẫnĐây là bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu liên quan đến điện, quang học, nhiệt động lực học và độ tin cậy. Cần đạt được sự cân bằng tốt nhất giữa ba thiết kế cơ bản: diện tích phát xạ rộng, khoang cộng hưởng dài và ống dẫn sóng mở rộng, cùng với các công nghệ giải quyết ba thách thức chính: quản lý nhiệt, hư hỏng bề mặt cuối và chất lượng chùm tia. Việc cải thiện hiệu suất hơn nữa trong tương lai sẽ phụ thuộc vào sự phát triển của các vật liệu mới, cơ chế vật lý mới và quy trình sản xuất mới.
Thời gian đăng bài: 21 tháng 5 năm 2026