Zasada działania i główne typylaser półprzewodnikowy
PółprzewodnikDiody laserowe, dzięki swojej wysokiej wydajności, miniaturyzacji i różnorodności długości fal, są szeroko stosowane jako podstawowe komponenty technologii optoelektronicznej w takich dziedzinach jak komunikacja, opieka medyczna i przetwórstwo przemysłowe. Niniejszy artykuł dodatkowo przedstawia zasadę działania i typy laserów półprzewodnikowych, co jest wygodne dla większości badaczy optoelektroniki.
1. Zasada emisji światła laserów półprzewodnikowych
Zasada luminescencji laserów półprzewodnikowych opiera się na strukturze pasmowej, przejściach elektronowych oraz emisji wymuszonej materiałów półprzewodnikowych. Materiały półprzewodnikowe to rodzaj materiałów z przerwą energetyczną, która obejmuje pasmo walencyjne i pasmo przewodnictwa. Gdy materiał znajduje się w stanie podstawowym, elektrony wypełniają pasmo walencyjne, podczas gdy pasmo przewodnictwa nie zawiera elektronów. Po przyłożeniu zewnętrznego pola elektrycznego lub wstrzyknięciu prądu, część elektronów przechodzi z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, tworząc pary elektron-dziura. Podczas procesu uwalniania energii, gdy te pary elektron-dziura są stymulowane przez środowisko zewnętrzne, generowane są fotony, czyli lasery.
2. Metody wzbudzania laserów półprzewodnikowych
Istnieją trzy główne metody wzbudzania laserów półprzewodnikowych: metoda wtrysku elektrycznego, metoda pompy optycznej i metoda wzbudzenia wiązką elektronów o wysokiej energii.
Lasery półprzewodnikowe z wtryskiem elektrycznym: Zasadniczo są to półprzewodnikowe diody złączowe wykonane z materiałów takich jak arsenek galu (GaAs), siarczek kadmu (CdS), fosforek indu (InP) i siarczek cynku (ZnS). Są one wzbudzane poprzez wstrzykiwanie prądu wzdłuż polaryzacji przewodzenia, generując emisję wymuszoną w obszarze płaszczyzny złącza.
Lasery półprzewodnikowe pompowane optycznie: Zwykle jako substancję roboczą stosuje się monokryształy półprzewodnikowe typu N lub P (takie jak GaAS, InAs, InSb itp.), alaseremitowane przez inne lasery wykorzystywane jest jako wzbudzenie pompowane optycznie.
Lasery półprzewodnikowe wzbudzane wiązką elektronów o wysokiej energii: Zazwyczaj wykorzystują one monokryształy półprzewodników typu N lub P (takich jak PbS, CdS, ZhO itp.) jako substancję roboczą i są wzbudzane poprzez wstrzykiwanie wiązki elektronów o wysokiej energii z zewnątrz. Spośród laserów półprzewodnikowych, laser o lepszej wydajności i szerszym zastosowaniu to laser diodowy GaAs z wtryskiem elektrycznym i podwójną heterostrukturą.
3. Główne typy laserów półprzewodnikowych
Obszar aktywny lasera półprzewodnikowego to obszar rdzenia odpowiedzialny za generację i wzmocnienie fotonów, a jego grubość wynosi zaledwie kilka mikrometrów. Wewnętrzne struktury falowodowe (takie jak falowody grzbietowe i zakopane heterozłącza) ograniczają dyfuzję boczną fotonów i zwiększają gęstość energii. Laser wykorzystuje konstrukcję radiatora i materiały o wysokiej przewodności cieplnej (takie jak stop miedzi i wolframu) w celu szybkiego rozpraszania ciepła, co zapobiega dryftowi długości fali spowodowanemu przegrzaniem. Ze względu na strukturę i zastosowanie, lasery półprzewodnikowe można podzielić na cztery następujące kategorie:
Laser krawędziowy (EEL)
Promień lasera jest emitowany z powierzchni rozszczepienia na boku układu scalonego, tworząc eliptyczną plamkę (o kącie rozbieżności około 30°×10°). Typowe długości fal to 808 nm (do pompowania), 980 nm (do komunikacji) i 1550 nm (do komunikacji światłowodowej). Jest on szeroko stosowany w wysokowydajnym cięciu przemysłowym, źródłach pompowania laserem światłowodowym oraz w optycznych sieciach szkieletowych.
2. Laser powierzchniowo-emitujący z pionową wnęką (VCSEL)
Laser emituje wiązkę prostopadle do powierzchni chipa, tworząc wiązkę kołową i symetryczną (kąt rozbieżności <15°). Zintegrowany jest rozproszony reflektor Bragga (DBR), eliminując potrzebę stosowania zewnętrznego reflektora. Jest on szeroko stosowany w czujnikach 3D (takich jak rozpoznawanie twarzy w telefonach komórkowych), komunikacji optycznej krótkiego zasięgu (centra danych) oraz w technologiach LiDAR.
3. Laser kaskadowy kwantowy (QCL)
Opierając się na kaskadowym przejściu elektronów między studniami kwantowymi, długość fali obejmuje zakres od średniej do dalekiej podczerwieni (3-30 μm), bez konieczności inwersji obsadzeń. Fotony są generowane poprzez przejścia międzypasmowe i są powszechnie wykorzystywane w takich zastosowaniach, jak wykrywanie gazów (np. detekcja CO₂), obrazowanie terahercowe i monitorowanie środowiska.
Zewnętrzna konstrukcja wnęki lasera przestrajalnego (siatka/pryzmat/zwierciadło MEMS) pozwala na osiągnięcie zakresu strojenia długości fali ±50 nm, przy wąskiej szerokości linii (<100 kHz) i wysokim współczynniku tłumienia trybu bocznego (>50 dB). Jest on powszechnie stosowany w takich zastosowaniach, jak komunikacja z gęstym zwielokrotnieniem długości fali (DWDM), analiza widmowa i obrazowanie biomedyczne. Lasery półprzewodnikowe są szeroko stosowane w komunikacyjnych urządzeniach laserowych, cyfrowych urządzeniach pamięci masowej, sprzęcie do obróbki laserowej, sprzęcie do znakowania i pakowania laserowego, składzie i drukowaniu laserowym, laserowym sprzęcie medycznym, instrumentach do pomiaru odległości i kolimacji laserowej, instrumentach i sprzęcie laserowym do celów rozrywkowych i edukacyjnych, komponentach i częściach laserowych itp. Należą one do kluczowych komponentów przemysłu laserowego. Ze względu na szeroki zakres zastosowań istnieje wielu producentów laserów. Dokonując wyboru, należy oprzeć się na konkretnych potrzebach i obszarach zastosowań. Różni producenci mają różne zastosowania w różnych dziedzinach, a wybór producentów i laserów powinien być dokonany zgodnie z rzeczywistym obszarem zastosowań projektu.
Czas publikacji: 05-11-2025