El principi de funcionament i els principals tipus delàser semiconductor
Semiconductordíodes làser, amb la seva alta eficiència, miniaturització i diversitat de longituds d'ona, s'utilitzen àmpliament com a components bàsics de la tecnologia optoelectrònica en camps com la comunicació, l'atenció mèdica i el processament industrial. Aquest article presenta a més el principi de funcionament i els tipus de làsers semiconductors, cosa que és convenient per a la referència de selecció de la majoria dels investigadors optoelectrònics.
1. El principi d'emissió de llum dels làsers semiconductors
El principi de luminescència dels làsers semiconductors es basa en l'estructura de bandes, les transicions electròniques i l'emissió estimulada dels materials semiconductors. Els materials semiconductors són un tipus de material amb un interval de banda, que inclou una banda de valència i una banda de conducció. Quan el material es troba en l'estat fonamental, els electrons omplen la banda de valència mentre que no hi ha electrons a la banda de conducció. Quan s'aplica un cert camp elèctric externament o s'injecta un corrent, alguns electrons transiten de la banda de valència a la banda de conducció, formant parells electró-forat. Durant el procés d'alliberament d'energia, quan aquests parells electró-forat són estimulats pel món exterior, es generen fotons, és a dir, làsers.
2. Mètodes d'excitació de làsers semiconductors
Hi ha principalment tres mètodes d'excitació per a làsers semiconductors, és a dir, el tipus d'injecció elèctrica, el tipus de bomba òptica i el tipus d'excitació de feix d'electrons d'alta energia.
Làsers semiconductors injectats elèctricament: Generalment, són díodes semiconductors de unió superficial fets de materials com ara arsenur de gal·li (GaAs), sulfur de cadmi (CdS), fosfur d'indi (InP) i sulfur de zinc (ZnS). S'exciten injectant corrent al llarg de la polarització directa, generant emissió estimulada a la regió del pla de la unió.
Làsers semiconductors bombats òpticament: generalment, s'utilitzen monocristalls semiconductors de tipus N o P (com ara GaAS, InAs, InSb, etc.) com a substància de treball, i ellàseremès per altres làsers s'utilitza com a excitació bombada òpticament.
Làsers semiconductors excitats per feix d'electrons d'alta energia: generalment, també utilitzen monocristalls semiconductors de tipus N o P (com ara PbS, CdS, ZhO, etc.) com a substància de treball i s'exciten injectant un feix d'electrons d'alta energia des de l'exterior. Entre els dispositius làser semiconductors, el que té un millor rendiment i una aplicació més àmplia és el làser de díode GaAs injectat elèctricament amb una doble heteroestructura.
3. Els principals tipus de làsers semiconductors
La regió activa d'un làser semiconductor és la zona central per a la generació i amplificació de fotons, i el seu gruix és de només uns pocs micròmetres. S'utilitzen estructures de guia d'ones internes per restringir la difusió lateral dels fotons i millorar la densitat d'energia (com ara guies d'ones de cresta i heterojuncions enterrades). El làser adopta un disseny de dissipador de calor i selecciona materials d'alta conductivitat tèrmica (com ara aliatge de coure-tungstè) per a una ràpida dissipació de la calor, cosa que pot evitar la deriva de la longitud d'ona causada pel sobreescalfament. Segons la seva estructura i els escenaris d'aplicació, els làsers semiconductors es poden classificar en les quatre categories següents:
Làser d'emissió de vores (EEL)
El làser surt de la superfície de clivatge al lateral del xip, formant un punt el·líptic (amb un angle de divergència d'aproximadament 30° × 10°). Les longituds d'ona típiques inclouen 808 nm (per al bombament), 980 nm (per a la comunicació) i 1550 nm (per a la comunicació per fibra). S'utilitza àmpliament en tall industrial d'alta potència, fonts de bombament amb làser de fibra i xarxes troncals de comunicació òptica.
2. Làser d'emissió superficial de cavitat vertical (VCSEL)
El làser s'emet perpendicularment a la superfície del xip, amb un feix circular i simètric (angle de divergència <15°). Integra un reflector de Bragg distribuït (DBR), eliminant la necessitat d'un reflector extern. S'utilitza àmpliament en detecció 3D (com ara el reconeixement facial de telèfons mòbils), comunicació òptica de curt abast (centres de dades) i LiDAR.
3. Làser de cascada quàntica (QCL)
Basant-se en la transició en cascada d'electrons entre pous quàntics, la longitud d'ona cobreix el rang de l'infraroig mitjà a llunyà (3-30 μm), sense necessitat d'inversió de població. Els fotons es generen mitjançant transicions entre subbandes i s'utilitzen habitualment en aplicacions com la detecció de gasos (com ara la detecció de CO₂), la imatge de terahertz i la monitorització ambiental.
El disseny de cavitat externa del làser sintonitzable (reixa/prisma/mirall MEMS) pot aconseguir un rang d'afinació de longitud d'ona de ±50 nm, amb una amplada de línia estreta (<100 kHz) i una alta relació de rebuig en mode lateral (>50 dB). S'utilitza habitualment en aplicacions com ara la comunicació per multiplexació per divisió de longitud d'ona densa (DWDM), l'anàlisi espectral i les imatges biomèdiques. Els làsers semiconductors s'utilitzen àmpliament en dispositius làser de comunicació, dispositius d'emmagatzematge làser digital, equips de processament làser, equips de marcatge i envasat làser, composició i impressió làser, equips mèdics làser, instruments de detecció de distància i colimació làser, instruments i equips làser per a entreteniment i educació, components i peces làser, etc. Pertanyen als components principals de la indústria làser. A causa de la seva àmplia gamma d'aplicacions, hi ha nombroses marques i fabricants de làsers. A l'hora de fer una elecció, s'ha de basar en necessitats i camps d'aplicació específics. Els diferents fabricants tenen diferents aplicacions en diversos camps, i la selecció de fabricants i làsers s'ha de fer segons el camp d'aplicació real del projecte.
Data de publicació: 05 de novembre de 2025