Принцип на работа и главни видови на полупроводнички ласери

Принципот на работа и главните видови наполупроводнички ласер

ПолупроводникЛасерски диоди, со нивната висока ефикасност, минијатуризација и разновидност на бранови должини, се широко користени како основни компоненти на оптоелектронската технологија во области како што се комуникацијата, медицинската нега и индустриската обработка. Оваа статија понатаму го воведува принципот на работа и видовите полупроводнички ласери, што е погодно за избор на референца за повеќето оптоелектронски истражувачи.

1. Принципот на емитување светлина кај полупроводничките ласери

Принципот на луминисценција на полупроводничките ласери се базира на структурата на лентите, електронските транзиции и стимулираната емисија на полупроводничките материјали. Полупроводничките материјали се вид материјал со енергетски јаз, кој вклучува валентна лента и спроводна лента. Кога материјалот е во основна состојба, електроните ја исполнуваат валентната лента, додека во спроводната лента нема електрони. Кога одредено електрично поле се применува однадвор или се вбризгува струја, некои електрони ќе преминат од валентната лента во спроводната лента, формирајќи парови електрон-дупка. За време на процесот на ослободување на енергија, кога овие парови електрон-дупка се стимулирани од надворешниот свет, ќе се генерираат фотони, односно ласери.

2. Методи на возбудување на полупроводнички ласери

Постојат главно три методи на побудување за полупроводнички ласери, имено тип на електрично вбризгување, тип на оптичка пумпа и тип на побудување со високоенергетски електронски зрак.

Електрично инјектирани полупроводнички ласери: Општо земено, тие се полупроводнички диоди на површински спој направени од материјали како што се галиум арсенид (GaAs), кадмиум сулфид (CdS), индиум фосфид (InP) и цинк сулфид (ZnS). Тие се возбудуваат со инјектирање струја по должината на правецот на поларизацијата, генерирајќи стимулирана емисија во регионот на рамнината на спојот.

Оптички пумпани полупроводнички ласери: Општо земено, како работна супстанца се користат полупроводнички монокристали од N-тип или P-тип (како што се GaAS, InAs, InSb итн.), аласеремитирано од други ласери се користи како оптички пумпано возбудување.

Полупроводнички ласери возбудени со високоенергетски електронски зрак: Општо земено, тие исто така користат полупроводнички монокристали од N-тип или P-тип (како што се PbS, CdS, ZhO, итн.) како работна супстанца и се возбудуваат со вбризгување на високоенергетски електронски зрак однадвор. Меѓу полупроводничките ласерски уреди, оној со подобри перформанси и поширока примена е електрично инјектираниот GaAs диоден ласер со двојна хетероструктура.

3. Главни видови на полупроводнички ласери

Активниот регион на полупроводничкиот ласер е основната област за генерирање и засилување на фотони, а неговата дебелина е само неколку микрометри. Внатрешните брановодни структури се користат за ограничување на латералната дифузија на фотоните и зголемување на густината на енергијата (како што се гребените брановоди и закопаните хетероспојки). Ласерот користи дизајн на ладилник и избира материјали со висока топлинска спроводливост (како што е легура на бакар-волфрам) за брза дисипација на топлина, што може да спречи поместување на брановата должина предизвикано од прегревање. Според нивната структура и сценарија на примена, полупроводничките ласери можат да се класифицираат во следниве четири категории:

Ласер што емитува рабови (EEL)

Ласерот излегува од површината на расцепување на страната на чипот, формирајќи елиптична точка (со агол на дивергенција од приближно 30°×10°). Типичните бранови должини вклучуваат 808nm (за пумпање), 980 nm (за комуникација) и 1550 nm (за оптичка комуникација). Широко се користи во индустриско сечење со голема моќност, извори на пумпање со фибер ласер и оптички комуникациски мрежи.

2. Ласер за вертикална површинска емисија на шуплини (VCSEL)

Ласерот се емитува нормално на површината на чипот, со кружен и симетричен зрак (агол на дивергенција <15°). Интегрира дистрибуиран Брегов рефлектор (DBR), елиминирајќи ја потребата од надворешен рефлектор. Широко се користи во 3D сензори (како што е препознавање лица на мобилни телефони), оптичка комуникација на краток дострел (центри за податоци) и LiDAR.

3. Квантен каскаден ласер (QCL)

Врз основа на каскадната транзиција на електроните помеѓу квантните бунари, брановата должина го покрива средниот до далечниот инфрацрвен опсег (3-30 μm), без потреба од инверзија на популацијата. Фотоните се генерираат преку меѓуподопсежни транзиции и најчесто се користат во апликации како што се сензори за гасови (како што е детекција на CO₂), терахерцово снимање и мониторинг на животната средина.

4. Подеслив ласер

Дизајнот на надворешната шуплина на подесливиот ласер (решетка/призма/MEMS огледало) може да постигне опсег на подесување на брановата должина од ±50 nm, со тесна ширина на линијата (<100 kHz) и висок однос на отфрлање на страничниот режим (>50 dB). Најчесто се користи во апликации како што се комуникација со густо мултиплексирање со бранова должина (DWDM), спектрална анализа и биомедицинско снимање. Полупроводничките ласери се широко користени во комуникациски ласерски уреди, дигитални уреди за складирање на ласери, опрема за обработка на ласери, опрема за обележување и пакување на ласери, ласерско пишување и печатење, ласерска медицинска опрема, ласерски инструменти за детекција на растојание и колимација, ласерски инструменти и опрема за забава и образование, ласерски компоненти и делови итн. Тие припаѓаат на основните компоненти на ласерската индустрија. Поради широкиот опсег на примена, постојат бројни брендови и производители на ласери. При изборот, треба да се базира на специфичните потреби и области на примена. Различните производители имаат различни примени во различни области, а изборот на производители и ласери треба да се направи според вистинското поле на примена на проектот.