Principiul de funcționare și principalele tipuri delaser semiconductor
SemiconductorDiode laser, cu eficiența lor ridicată, miniaturizarea și diversitatea lungimii de undă, sunt utilizate pe scară largă ca componente de bază ale tehnologiei optoelectronice în domenii precum comunicațiile, asistența medicală și procesarea industrială. Acest articol prezintă în continuare principiul de funcționare și tipurile de lasere semiconductoare, ceea ce este convenabil pentru referința de selecție a majorității cercetătorilor în optoelectronică.
1. Principiul de emitere a luminii al laserelor semiconductoare
Principiul luminescenței laserelor semiconductoare se bazează pe structura benzii, tranzițiile electronice și emisia stimulată a materialelor semiconductoare. Materialele semiconductoare sunt un tip de material cu o bandă interzisă, care include o bandă de valență și o bandă de conducție. Când materialul se află în starea fundamentală, electronii umplu banda de valență, în timp ce nu există electroni în banda de conducție. Atunci când se aplică extern un anumit câmp electric sau se injectează un curent, unii electroni vor trece de la banda de valență la banda de conducție, formând perechi electron-gaură. În timpul procesului de eliberare a energiei, când aceste perechi electron-gaură sunt stimulate de lumea exterioară, se vor genera fotoni, adică lasere.
2. Metode de excitație ale laserelor semiconductoare
Există în principal trei metode de excitație pentru laserele semiconductoare, și anume tipul cu injecție electrică, tipul cu pompă optică și tipul cu fascicul de electroni de înaltă energie.
Lasere semiconductoare injectate electric: În general, acestea sunt diode semiconductoare cu joncțiune de suprafață, realizate din materiale precum arsenură de galiu (GaAs), sulfură de cadmiu (CdS), fosfură de indiu (InP) și sulfură de zinc (ZnS). Sunt excitate prin injectarea de curent de-a lungul polarizării directe, generând emisie stimulată în regiunea planului joncțiunii.
Lasere semiconductoare pompate optic: În general, se utilizează ca substanță de lucru monocristale semiconductoare de tip N sau P (cum ar fi GaAS, InAs, InSb etc.), iarlaseremisă de alte lasere este utilizată ca excitație pompată optic.
Lasere semiconductoare excitate cu fascicul de electroni de înaltă energie: În general, acestea utilizează ca substanță de lucru monocristale semiconductoare de tip N sau P (cum ar fi PbS, CdS, ZhO etc.) și sunt excitate prin injectarea unui fascicul de electroni de înaltă energie din exterior. Printre dispozitivele laser semiconductoare, cel cu performanțe mai bune și aplicații mai largi este laserul cu diodă GaAs injectat electric cu o heterostructură dublă.
3. Principalele tipuri de lasere semiconductoare
Regiunea activă a unui laser semiconductor este zona centrală pentru generarea și amplificarea fotonilor, iar grosimea sa este de doar câțiva micrometri. Structurile interne ale ghidurilor de undă sunt utilizate pentru a restricționa difuzia laterală a fotonilor și a spori densitatea energiei (cum ar fi ghidurile de undă de tip crest și heterojoncțiunile îngropate). Laserul adoptă un design cu radiator și selectează materiale cu conductivitate termică ridicată (cum ar fi aliajul de cupru-tungsten) pentru disiparea rapidă a căldurii, ceea ce poate preveni deviația lungimii de undă cauzată de supraîncălzire. În funcție de structura și scenariile de aplicare, laserele semiconductoare pot fi clasificate în următoarele patru categorii:
Laser cu emisie de margini (EEL)
Laserul este emis de suprafața de clivaj de pe lateralul cipului, formând un punct eliptic (cu un unghi de divergență de aproximativ 30°×10°). Lungimile de undă tipice includ 808 nm (pentru pompare), 980 nm (pentru comunicații) și 1550 nm (pentru comunicații prin fibră optică). Este utilizat pe scară largă în tăierea industrială de mare putere, sursele de pompare cu laser cu fibră optică și rețelele principale de comunicații optice.
2. Laser cu emisie de suprafață în cavitate verticală (VCSEL)
Laserul este emis perpendicular pe suprafața cipului, cu un fascicul circular și simetric (unghi de divergență <15°). Integrează un reflector Bragg distribuit (DBR), eliminând necesitatea unui reflector extern. Este utilizat pe scară largă în detectarea 3D (cum ar fi recunoașterea facială a telefoanelor mobile), comunicațiile optice pe rază scurtă de acțiune (centre de date) și LiDAR.
3. Laser cu cascadă cuantică (QCL)
Pe baza tranziției în cascadă a electronilor între sondele cuantice, lungimea de undă acoperă intervalul infraroșu mediu-depărtat (3-30 μm), fără a fi nevoie de inversiune a populației. Fotonii sunt generați prin tranziții intersubbandă și sunt utilizați în mod obișnuit în aplicații precum detectarea gazelor (cum ar fi detectarea CO₂), imagistica terahertz și monitorizarea mediului.
Designul cavității externe a laserului reglabil (rețea/prismă/oglindă MEMS) poate atinge un interval de reglare a lungimii de undă de ±50 nm, cu o lățime de linie îngustă (<100 kHz) și un raport de respingere a modului lateral ridicat (>50 dB). Este utilizat în mod obișnuit în aplicații precum comunicarea prin multiplexare densă prin diviziune de lungime de undă (DWDM), analiza spectrală și imagistica biomedicală. Laserele semiconductoare sunt utilizate pe scară largă în dispozitive laser de comunicații, dispozitive digitale de stocare laser, echipamente de procesare laser, echipamente de marcare și ambalare cu laser, tipărire și imprimare cu laser, echipamente medicale cu laser, instrumente de detectare a distanței și colimației cu laser, instrumente și echipamente laser pentru divertisment și educație, componente și piese laser etc. Acestea aparțin componentelor de bază ale industriei laserelor. Datorită gamei largi de aplicații, există numeroase mărci și producători de lasere. Atunci când se face o alegere, aceasta ar trebui să se bazeze pe nevoi specifice și domenii de aplicare. Diferiți producători au aplicații diferite în diverse domenii, iar selecția producătorilor și a laserelor ar trebui făcută în funcție de domeniul de aplicare real al proiectului.
Data publicării: 05 noiembrie 2025