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Introducción
El sistema de alta intensidad de la generación de láseres semiconductores se ha convertido en indispensable en un amplio espectro de tecnología moderna, sirviendo como motor de comunicaciones de alta velocidad de fibra óptica, la herramienta de precisión para el corte y soldadura industrial, y la fuente de luz para los avanzados terapéuticos y diagnósticos. Desde los diodos rojos en los escáneres de códigos de barras a los potentes sistemas de energía dirigidos, el corazón operativo de estos dispositivos es una colección densa y altamente energética
Fundamentos de Plasma Electron-Hole en semiconductores
Estructura de banda e inyección de transportador
En un cristal semiconductor puro, los electrones ocupan bandas de energía bien definidas separadas por una brecha prohibida. La banda más alta ocupada es la banda de valence, y la banda vacía más baja es la banda de conducción. Para lograr la amplificación ligera, el semiconductor debe ser conducido a un estado de no equilibrio. Esto se logra mediante la inyección de energía, normalmente bien mediante la aplicación de una inyección de lente adelante
La transición a un Plasma de alta densidad
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Efectos cuánticos de muchos tipos en el plasma
En tan altas densidades, la interacción de Coulomb entre los portadores ya no puede ser tratada como una pequeña perturbación. Estas interacciones dan lugar a una serie de efectos de muchos cuerpos que alteran fundamentalmente las propiedades ópticas y electrónicas de la región activa.
- Renormalización de bandgap (BGR): Las interacciones de intercambio y correlación entre el electrón denso y el gas de agujero reducen eficazmente la energía necesaria para crear un par de agujeros de electrones, reduciendo el broche fundamental. Este efecto de muchos cuerpos puede cambiar el espectro de emisiones por decenas de meV, un cambio sustancial que debe ser contabilizado en el diseño de dispositivos.
- Coulomb Screening: Los transportistas libres densos actúan como un medio dielectrónico móvil que analiza el potencial de Coulomb de larga distancia de impurezas cargadas y otros portadores. Esta proyección reduce la dispersión de secciones transversales, que pueden conducir a mayores movilidades de portadores, pero también modifica la forma del espectro de ganancia óptica lavando las características excitonicas y suprimiendo energías estatales.
- ]Formación de espectro de ganancia: El espectro de ganancia óptica es un mapa directo de la densidad conjunta de estados, convolvido con una función de ampliación de Lorentziana y modulado por los factores de ocupación de Fermi-Dirac. La ganancia máxima es proporcional a la diferencia de probabilidad de ocupación entre las bandas de conducción y valence.
Formando el espectro de ganancia óptica
De la emisión espontánea a la emisión estimulada
El plasma de los agujeros electrones es la fuente de ambas emisiones espontáneas, que forman la base para los diodos de emisión ligera, y estimula la emisión, lo que permite la acción láser. En una cavidad láser, el campo óptico interactúa con el plasma, impulsando la polarización y estimulando la recombinación de pares de agujeros electrones para producir fotones coherentes.La tasa esencial de emisión estimulada es proporcional a la intensidad óptica local de comprensión y el material ganancia de ganancia.
Compresión de ganancia y no linealidades
En las densidades de fotones altas dentro de la cavidad láser, la tasa de recombinación estimulada se vuelve tan alta que agota el plasma portador más rápido de lo que puede ser repletado por inyección. Esto conduce a una reducción en el beneficio diferencial, un fenómeno conocido como compresión de ganancia. Esta no linealidad se modela a menudo mediante la introducción de un factor de saturación de ganancia (ε).
- ] Factor de mejora de la vida (α): Un parámetro clave que une el índice de ganancia y refracción de la región activa. Las fluctuaciones de la densidad de portador causan cambios tanto en la ganancia (intensidad) como en el índice refractivo (fase). Se requiere un parámetro α bajo para anchos estrechos y alta calidad de haz.
Limitaciones de rendimiento y dinámica térmica
El Conundrum Threshold y la Recombación de Auger
El factor de resistencia al calor es el punto en el que el beneficio óptico proporcionado por el plasma compensa exactamente todas las pérdidas ópticas. Un umbral inferior es universalmente deseable para la eficiencia y la gestión térmica.El principal obstáculo para bajar el umbral es la recombinación no radiativa. Mientras que los defectos y la recombinación de superficie juegan un papel, el mecanismo no radiativo dominante en láser de alta escala.
Daños a la gestión térmica y a los espejos ópticos catastróficos (COMD)
El desperdicio de calor generado por la calefacción Joule y la recombinación no radiativa eleva la temperatura de la región activa. Esto tiene una cascada de efectos negativos: aumenta la población de portadores en altas energías (acelerando el espectro de ganancia), reduce el aumento máximo y aumenta la densidad de corriente umbral. La reflujo térmico ocurre cuando la corriente aumentada necesaria para alcanzar umbrales simplemente genera más calor, creando un circuito de retroalimentación positivo que limita la potencia máxima de salida.
Este espejo de absorción de la luz es un retrovisor de alta potencia (con una potencia de alta potencia) que aumenta la absorción de la cara de la luz (con una potencia de alta potencia) y que permite la absorción de la cara de la cara de la cara de la radio, que aumenta la absorción de la luz del cuerpo ()
Ingeniería de Ciencia y Heteroestructura Materiales para el Control de Plasma
Pozos cuánticos y heteroestructuras de confinamiento separados (SCH)
La transición de doble heteroestructura a pozos cuánticos representó una revolución en el diseño de láser semiconductor.Configurando el plasma de agujeros electrones a una capa sólo unos pocos nanometros de espesor, la densidad de estados se modifica de una función parabólica a una función de paso.Este confinamiento concentra la densidad de estados en la energía de la primera submarina cuantificada, reduciendo drásticamente el número de portadores requeridos para lograr una óptima población
El Nitrido de Gallio de aluminio (AlGaN)
El sistema de inyección de alta calidad es muy alto, y la densidad de la inyección de los elementos de la serie de elementos de la serie de productos es muy alta.
Future Directions and Emerging Technologies
Plasma de control con puntos cuánticos y nanoestructuras
La reducción final de la dimensionalidad es el punto cuántico, donde los portadores se limitan en las tres dimensiones espaciales. En un punto cuántico ideal, la densidad de los estados es una función delta, lo que significa que un solo punto puede proporcionar ganancia en una sola energía discreta. Los láseres de punto de Quantum ofrecen la promesa de las corrientes de ultra-bajos, factores de mejora de la longitud de foto cerca de cero, y estabilidad de temperatura increíblemente dominada.
Lasers exciton-Polariton y Perovskites
La investigación emergente está desafiando la necesidad misma de un plasma de alto grado de densidad de electrones para el láser. Los láseres exciton-polariton, o condensados polariton, dependen de la formación de excitones (pantalones de agujeros electrones en potencia) que se unen fuertemente a fotones de cavidad. Bajo las condiciones adecuadas, estas cuasispicias de luz híbridas pueden formar una coherente de la población de ultra-expresorden
De igual manera, los perovskitos metal-halide han surgido como una fascinante nueva plataforma para láseres procesados por soluciones. Estos materiales exhiben un transporte electrónico-ionico único y una estructura de banda altamente tolerante a defectos. La naturaleza del estado excitado en los perovskitos es debatido caliente, que va desde un plasma de electrones libres a un gas de excitones y triones.
Conclusión
El plasma de la alta densidad de la cadena de control de la alta calidad de los electrones, es un sistema de alta densidad de la serie de discos de alta calidad, que se ha convertido en un sistema de control de la alta precisión del sistema de la serie de discos de alta calidad, y que es un proceso de medición de la calidad de los sistemas de transmisión de la alta calidad.