Ontwerpoverwegingen voorkrachtige halfgeleiderlaser
Dit artikel zal systematisch ingaan op de belangrijkste ontwerpoverwegingen en implementatiemethoden van hoogvermogen halfgeleiders.laserGebaseerd op het algemene idee van "het verhogen van de bovengrens van het vermogen door het lichtgevende volume te vergroten, de energieomzetting en -afvoer te optimaliseren en tegelijkertijd catastrofale optische schade (COD) te voorkomen", werd een diepgaande analyse uitgevoerd vanuit 9 belangrijke aspecten:
1. Breed emissiegebied: Door een structuur met een breed emissiegebied te gebruiken (zoals het vergroten van de breedte van het emissiegebied W van enkele micrometers naar 50-200 micrometer), kan het maximale uitgangsvermogen direct lineair worden verhoogd. Dit is de basismethode om een uitgangsvermogen van enkele buizen op wattniveau of zelfs tientallen watts te bereiken, maar dit gaat ten koste van de bundelkwaliteit.
2. Lange holte: Het vergroten van de holtelengte is cruciaal voor het verbeteren van de elektrische verwarmingsprestaties en het bereiken van een efficiënte werking met hoog vermogen. De kern hiervan ligt in het effectief verlagen van de thermische weerstand en de weerstand van het apparaat, waardoor de temperatuurstijging van de actieve junctie wordt onderdrukt, vermogensverzadigingseffecten worden verminderd en het uitgangsvermogen en de efficiëntie worden verbeterd.
3. Verbreding van golfgeleiders en asymmetrische optische holtes: Door de optische veldverdeling te verbreden (bijvoorbeeld door gebruik te maken van asymmetrische optische holtestructuren), kan de overlap tussen het optische veld en gebieden met hoge absorptieverliezen worden verminderd. Dit leidt tot een aanzienlijke verlaging van de interne verliezen, een verbetering van de kwantumrendement en een vermindering van de warmteontwikkeling. Tegelijkertijd kan ook de bundelkwaliteit in verticale richting worden verbeterd.
4. Vulgraad: Bij staafvormige LED's is de vulgraad (de verhouding tussen de totale breedte van de lichtgevende eenheid en de totale breedte van de staaf) de belangrijkste parameter voor het balanceren van de vermogensdichtheid en de complexiteit van het thermisch beheer. Een hoge vulgraad resulteert in een hoge vermogensdichtheid, maar vereist een extreem hoge warmteafvoer, terwijl een lage vulgraad het thermisch beheer vergemakkelijkt en de betrouwbaarheid verbetert.
6. Technologie voor bescherming van het eindvlak: Het verbeteren van de drempelwaarde voor catastrofale optische spiegelbeschadiging (COMD) van het eindvlak is de sleutel tot het doorbreken van het vermogensknelpunt. Het artikel gaat dieper in op drie belangrijke technologieën:
6.1 Passivering en coating van het holteoppervlak: Door het aanbrengen van passiveringslagen en het coaten van films met hoge reflectiviteit/antireflectie worden defecten in het holteoppervlak gepassiveerd, niet-radiatieve recombinatie onderdrukt en de COMD-drempel aanzienlijk verbeterd.
6.2 Niet-absorberende venstertechnologie: Door gebruik te maken van kwantumputhybridisatie en andere technieken wordt een transparant venstergebied op het eindvlak gevormd om lichtabsorptie te verminderen en COMD te voorkomen.
6.3 Niet-injectiezone-technologie op het holteoppervlak: Introduceer een niet-injectiezone nabij het holteoppervlak om de ladingsdragerconcentratie en niet-radiatieve recombinatie op het holteoppervlak te verminderen.
7. Ontwerp met hoge helderheid: Twee technieken voor het verkrijgen van een hoge helderheid worden geïntroduceerd om het probleem van de slechte straalkwaliteit bij lasers met een groot bereik aan te pakken:
7.1. Kegelstructuur: Door de combinatie van het smalle golfgeleider-"kiemgebied" aan de voorkant en het "kegelversterkingsgebied" aan de achterkant wordt de bundelkwaliteit dicht bij de diffractielimiet behouden, terwijl het vermogen wordt versterkt.
7.2 Moduscontrole: Het introduceren van microstructuren binnen een breed bereik om het verlies van hogere-orde transversale modi selectief te vergroten, waardoor de bundelkwaliteit wordt verbeterd.
8. Kwantumput met spanning en spanningscompensatie: Door spanning in het actieve gebied van de kwantumput te introduceren, kan de bandstructuur worden geoptimaliseerd, de differentiële versterking worden verbeterd, waardoor de drempelstroom wordt verlaagd, de efficiëntie wordt verhoogd en de eigenschappen bij hoge temperaturen worden verbeterd. Spanningscompensatietechnologie voorkomt de ophoping van spanning en defecten door barrièrelagen met tegengestelde spanning te laten groeien, waardoor de materiaalkwaliteit wordt gewaarborgd.
9. Geavanceerd thermisch beheer en spanningsarme verpakking: In reactie op de uitdagingen op het gebied van warmteafvoer die gepaard gaan met een hoge vermogensdichtheid, introduceert dit artikel nieuwe koelmaterialen (zoals diamantcomposietmaterialen), microkanaalkoelers en verpakkingstechnologieën die gebruikmaken van spanningsarme interfacematerialen om een ultrahoge warmteafvoercapaciteit te bereiken en de betrouwbaarheid te verbeteren.
10. Gedistribueerde golfgeleider: Deze structuur is een intrinsiek thermisch beheersysteem op chipniveau en verdeelt de ribgolfgeleider in een excitatiezone en een passieve warmteafvoerzone langs de lengte van de holte. Er wordt een dwars warmtekanaal in de chip gecreëerd om warmte efficiënt af te voeren, waarmee de beperkingen van traditionele warmteafvoermethoden worden overwonnen.
De samenvatting en vooruitzichten wijzen erop dat het ontwerp van krachtige apparatenhalfgeleiderlaserDit is een multi-objectief optimalisatieprobleem dat elektriciteit, optica, thermodynamica en betrouwbaarheid omvat. Het is noodzakelijk om de beste balans te vinden tussen de drie basisontwerpen – een breed emissiegebied, een lange holte en een verbrede golfgeleider – en de technologieën die de drie belangrijkste uitdagingen aanpakken: thermisch beheer, schade aan het eindvlak en bundelkwaliteit. Verdere verbetering van de toekomstige prestaties zal afhangen van de ontwikkeling van nieuwe materialen, nieuwe fysische mechanismen en nieuwe productieprocessen.
Publicatiedatum: 21 mei 2026