Considerații de proiectare pentrulaser semiconductor de mare putere
Acest articol va detalia sistematic considerațiile de proiectare a nucleului și metodele de implementare a semiconductorilor de mare putere.laserPe baza ideii generale de „creștere a limitei superioare de putere prin extinderea volumului luminos, optimizarea căilor de conversie și disipare a energiei, evitând în același timp deteriorarea optică catastrofală (COD)”, a fost efectuată o analiză aprofundată din 9 aspecte cheie:
1. Zonă de emisie largă: Prin adoptarea unei structuri cu suprafață largă (cum ar fi creșterea lățimii zonei de emisie W de la câțiva micrometri la 50-200 micrometri), puterea maximă de ieșire poate fi crescută liniar direct, aceasta fiind metoda de bază pentru obținerea unei puteri de ieșire a unui singur tub la nivelul waților sau chiar al zecilor de wați, dar sacrifică calitatea fasciculului.
2. Cavitate lungă: Creșterea lungimii cavității este cheia îmbunătățirii performanței de încălzire electrică și obținerii unei funcționări eficiente și de mare putere. Esența sa constă în reducerea eficientă a rezistenței termice și a rezistenței dispozitivului, suprimând astfel creșterea temperaturii joncțiunii regiunii active, reducând efectele de saturație a puterii și îmbunătățind puterea de ieșire și eficiența.
3. Lărgirea ghidurilor de undă și a cavităților optice asimetrice: Prin lărgirea distribuției câmpului optic (cum ar fi utilizarea structurilor asimetrice ale cavității optice), se poate reduce suprapunerea dintre câmpul optic și zonele cu pierderi de absorbție ridicate, reducând semnificativ pierderile interne, îmbunătățind eficiența cuantică și reducând generarea de căldură. În același timp, se poate îmbunătăți și calitatea fasciculului în direcție verticală.
4. Factorul de umplere: În dispozitivele tip bară, factorul de umplere (raportul dintre lățimea totală a unității emițătoare de lumină și lățimea totală a barei) este parametrul principal pentru echilibrarea densității de putere de ieșire și a dificultății de gestionare termică. Un factor de umplere ridicat aduce o densitate mare de putere, dar necesită o disipare extrem de mare a căldurii, în timp ce un factor de umplere scăzut este mai favorabil gestionării termice și îmbunătățește fiabilitatea.
6. Tehnologie de protecție a feței terminale: Îmbunătățirea pragului de deteriorare catastrofală a oglinzii optice (COMD) a feței terminale este cheia pentru depășirea blocajelor de putere. Articolul detaliază trei tehnologii principale:
6.1 Pasivizarea și acoperirea suprafeței cavității: Prin depunerea de straturi de pasivizare și acoperirea peliculelor cu reflectivitate/antireflexie ridicată, defectele suprafeței cavității sunt pasivizate, recombinarea neradiativă este suprimată, iar pragul COMD este îmbunătățit semnificativ.
6.2 Tehnologia ferestrelor fără absorbție: Utilizarea hibridizării cu sonde cuantice și a altor tehnici pentru a forma o regiune transparentă a ferestrei pe fața finală pentru a reduce absorbția luminii și a preveni COMD.
6.3 Tehnologia zonei fără injecție pe suprafața cavității: Introducerea unei zone fără injecție de curent în apropierea suprafeței cavității pentru a reduce concentrația purtătorilor de curent și recombinarea neradiativă la suprafața cavității.
7. Proiectare cu luminozitate ridicată: Sunt introduse două tehnici pentru obținerea unei luminozități ridicate pentru a aborda problema calității slabe a fasciculului în laserele cu suprafață largă:
7.1. Structura conului: Combinând „zona de însămânțare” a ghidului de undă îngust la capătul frontal și „zona de amplificare a conului” la capătul posterior, calitatea fasciculului aproape de limita de difracție este menținută în timp ce se amplifică puterea.
7.2 Controlul modurilor: Introducerea de microstructuri într-un interval larg pentru a crește selectiv pierderea modurilor transversale de ordin superior, îmbunătățind astfel calitatea fasciculului.
8. Sondă cuantică de deformare și compensarea deformației: Introducerea deformării în regiunea activă a sondei cuantice poate optimiza structura benzii, poate îmbunătăți câștigul diferențial, reducând astfel curentul de prag, îmbunătățind eficiența și îmbunătățind caracteristicile la temperaturi ridicate. Tehnologia de compensare a deformației previne acumularea de deformare și defecte prin creșterea straturilor barieră cu deformare opusă, asigurând calitatea materialului.
9. Management termic avansat și ambalare cu stres redus: Ca răspuns la provocările de disipare a căldurii generate de densitatea mare de putere, acest articol prezintă noi materiale pentru radiatoare (cum ar fi materialele compozite cu diamant), răcitoare cu microcanal și tehnologii de ambalare care utilizează materiale de interfață cu stres redus pentru a obține o capacitate ultra-ridicată de disipare a căldurii și a îmbunătăți fiabilitatea.
10. Ghid de undă distribuit: Ca schemă de gestionare termică intrinsecă la nivel de cip, această structură împarte ghidul de undă de creastă într-o zonă de excitație și o zonă de disipare pasivă a căldurii de-a lungul cavității și construiește un canal de căldură transversal în interiorul cipului pentru a disipa eficient căldura, depășind limitele metodelor tradiționale de disipare a căldurii.
Rezumatul și perspectivele subliniază faptul că proiectarea de sisteme de putere marelaser semiconductoreste o problemă de optimizare cu obiective multiple care implică electricitatea, optica, termodinamica și fiabilitatea. Este necesar să se obțină cel mai bun echilibru între cele trei modele de bază: suprafață de emisie largă, cavitate lungă și ghid de undă lărgit, și tehnologiile care abordează cele trei provocări majore: managementul termic, deteriorarea feței terminale și calitatea fasciculului. Îmbunătățirea ulterioară a performanței viitoare va depinde de dezvoltarea de noi materiale, noi mecanisme fizice și noi procese de fabricație.
Data publicării: 21 mai 2026