Ce este laserul semiconductor?

De la inventarea primului laser semiconductor din lume în 1962, laserul semiconductor a suferit schimbări extraordinare, promovând în mare măsură dezvoltarea altor științe și tehnologii și este considerat a fi una dintre cele mai mari invenții umane din secolul al XX-lea. În ultimii zece ani, laserele cu semiconductor s-au dezvoltat mai rapid și au devenit tehnologia laser cu cea mai rapidă creștere din lume. Gama de aplicații a laserelor cu semiconductor acoperă întregul domeniu al optoelectronicii și a devenit tehnologia de bază a științei optoelectronice de astăzi. Datorită avantajelor dimensiunilor mici, structurii simple, energiei de intrare scăzute, duratei lungi de viață, modulării ușoare și prețului scăzut, laserele cu semiconductori sunt utilizate pe scară largă în domeniul optoelectronică și au fost foarte apreciate de țările din întreaga lume.

laser semiconductor
A laser semiconductoreste un laser miniaturizat care utilizează o joncțiune Pn sau o joncțiune Pin compusă dintr-un material semiconductor direct band gap ca substanță de lucru. Există zeci de materiale de lucru cu laser semiconductor. Materialele semiconductoare care au fost transformate în lasere includ arseniura de galiu, arseniura de indiu, antimoniură de indiu, sulfura de cadmiu, telurura de cadmiu, seleniura de plumb, telurura de plumb, arseniura de aluminiu, fosforul de indiu, arsenul etc. Există trei metode principale de excitare a semiconductorilor. lasere, și anume tip injecție electrică, tip pompă optică și tip excitare cu fascicul de electroni de înaltă energie. Metoda de excitare a majorității laserelor semiconductoare este injecția electrică, adică o tensiune directă este aplicată joncțiunii Pn pentru a genera emisie stimulată în regiunea planului de joncțiune, adică o diodă polarizată direct. Prin urmare, laserele semiconductoare sunt numite și diode laser semiconductoare. Pentru semiconductori, deoarece electronii tranzitează între benzile de energie mai degrabă decât niveluri de energie discrete, energia de tranziție nu este o valoare definită, ceea ce face ca lungimea de undă de ieșire a laserelor semiconductoare să se răspândească într-o gamă largă. pe raza de actiune. Lungimile de undă pe care le emit sunt cuprinse între 0,3 și 34 μm. Gama de lungimi de undă este determinată de banda interzisă de energie a materialului utilizat. Cel mai comun este laserul cu heterojoncție dublă AlGaAs, care are o lungime de undă de ieșire de 750-890 nm.
Tehnologia de fabricare cu laser a semiconductorilor a experimentat de la metoda de difuzie la epitaxie în fază lichidă (LPE), epitaxie în fază de vapori (VPE), epitaxie cu fascicul molecular (MBE), metoda MOCVD (depunere de vapori a compușilor organici metalici), epitaxie cu fascicul chimic (CBE) ) și diverse combinații ale acestora. Cel mai mare dezavantaj al laserelor cu semiconductor este că performanța laserului este foarte afectată de temperatură, iar unghiul de divergență al fasciculului este mare (în general între câteva grade și 20 de grade), deci este slab în directivitate, monocromaticitate și coerență. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea rapidă a științei și tehnologiei, cercetarea laserelor semiconductoare avansează în direcția adâncimii, iar performanța laserelor semiconductoare se îmbunătățește constant. Tehnologia optoelectronică cu semiconductor, cu laserul semiconductor ca nucleu, va face progrese mai mari și va juca un rol mai important în societatea informațională a secolului 21.

Cum funcționează laserele cu semiconductor?
A laser semiconductoreste o sursă de radiație coerentă. Pentru ca acesta să genereze lumină laser, trebuie îndeplinite trei condiții de bază:
1. Condiție de câștig: se stabilește distribuția inversă a purtătorilor în mediul laser (regiunea activă). În semiconductor, banda de energie care reprezintă energia electronului este compusă dintr-o serie de niveluri de energie care sunt aproape continue. Prin urmare, în semiconductor, pentru a realiza inversarea populației, numărul de electroni din partea de jos a benzii de conducție a stării de energie înaltă trebuie să fie mult mai mare decât numărul de găuri din partea de sus a benzii de valență a stării de energie joasă. starea dintre cele două regiuni ale benzilor de energie. Heterojuncția este polarizată direct pentru a injecta purtătorii necesari în stratul activ pentru a excita electronii din banda de valență cu energie mai mică la banda de conducere cu energie mai mare. Emisia stimulată apare atunci când un număr mare de electroni într-o stare de inversare a populației se recombină cu găuri.
2. Pentru a obține efectiv o radiație stimulată coerentă, radiația stimulată trebuie alimentată de mai multe ori în rezonatorul optic pentru a forma oscilația laser. Rezonatorul laser este format din suprafața naturală de clivaj a cristalului semiconductor ca o oglindă, de obicei în Capătul care nu emite lumină este acoperit cu o peliculă dielectrică multistrat de înaltă reflexie, iar suprafața emițătoare de lumină este acoperită cu un anti- film de reflexie. Pentru laserul semiconductor cu cavitatea F-p (cavitatea Fabry-Perot), cavitatea F-p poate fi formată cu ușurință utilizând planul natural de clivaj al cristalului perpendicular pe planul de joncțiune p-n.
3. Pentru a forma o oscilație stabilă, mediul laser trebuie să fie capabil să ofere un câștig suficient de mare pentru a compensa pierderea optică cauzată de rezonator și pierderea cauzată de ieșirea laser de la suprafața cavității etc., și continuu. crește câmpul optic din cavitate. Aceasta necesită o injecție de curent suficient de puternică, adică există suficientă inversare a populației, cu cât este mai mare gradul de inversare a populației, cu atât câștigul obținut este mai mare, adică trebuie îndeplinită o anumită condiție de prag de curent. Când laserul atinge pragul, lumina cu o anumită lungime de undă poate rezona în cavitate și poate fi amplificată, iar în final să formeze un laser și să iasă continuu. Se poate observa că în laserele semiconductoare, tranziția dipolului electronilor și găurilor este procesul de bază al emisiei de lumină și amplificarii luminii. Pentru noile lasere cu semiconductor, în prezent se recunoaște că puțurile cuantice sunt forța motrice fundamentală pentru dezvoltarea laserelor cu semiconductor. Dacă firele cuantice și punctele cuantice pot profita din plin de efectele cuantice a fost extins până în acest secol. Oamenii de știință au încercat să folosească structuri auto-organizate pentru a face puncte cuantice din diferite materiale, iar punctele cuantice GaInN au fost folosite în laserele cu semiconductor.

Istoricul dezvoltării laserelor semiconductoare
Thelasere semiconductoarede la începutul anilor 1960 au fost lasere cu homouncție, care erau diode de joncțiune pn fabricate pe un singur material. Sub injecția de curent mare înainte, electronii sunt injectați continuu în regiunea p, iar găurile sunt injectate continuu în regiunea n. Prin urmare, inversarea distribuției purtătorului este realizată în regiunea originală de epuizare a joncțiunii pn. Deoarece viteza de migrare a electronilor este mai mare decât cea a găurilor, radiația și recombinarea au loc în regiunea activă, iar fluorescența este emisă. lasing, un laser semiconductor care poate funcționa numai în impulsuri. A doua etapă a dezvoltării laserelor semiconductoare este laserul semiconductor cu heterostructură, care este compus din două straturi subțiri de materiale semiconductoare cu diferite benzi interzise, ​​cum ar fi GaAs și GaAlAs, iar laserul cu heterostructură unică a apărut pentru prima dată (1969). Laserul cu injecție cu heterojuncție unică (SHLD) se află în regiunea p a joncțiunii GaAsP-N pentru a reduce densitatea curentului de prag, care este cu un ordin de mărime mai mică decât cea a laserului cu homojuncție, dar laserul cu heterojuncție unică încă nu poate lucra continuă la temperatura camerei.
De la sfârșitul anilor 1970, laserele cu semiconductori s-au dezvoltat în mod evident în două direcții, unul este un laser bazat pe informații cu scopul de a transmite informații, iar celălalt este un laser bazat pe putere în scopul creșterii puterii optice. Acționat de aplicații precum laserele cu stare solidă pompate, laserele semiconductoare de mare putere (putere de ieșire continuă de peste 100mw și puterea de ieșire a impulsurilor de peste 5W pot fi numite lasere semiconductoare de mare putere).
În anii 1990 s-a făcut o descoperire, care a fost marcată de o creștere semnificativă a puterii de ieșire a laserelor semiconductoare, comercializarea laserelor semiconductoare de mare putere la nivel de kilowați în străinătate și puterea dispozitivelor de eșantionare autohtone ajungând la 600W. Din perspectiva extinderii benzii laser, au fost utilizate pe scară largă laserele cu semiconductori cu infraroșu, urmate de laserele cu semiconductori roșii de 670 nm. Apoi, odată cu apariția lungimilor de undă de 650 nm și 635 nm, laserele semiconductoare albastre-verde și albastre-lumină au fost, de asemenea, dezvoltate cu succes unul după altul. De asemenea, sunt dezvoltate lasere cu semiconductor violet și chiar ultraviolete de ordinul a 10mW. Laserele cu emisie de suprafață și laserele cu emisie de suprafață cu cavitate verticală s-au dezvoltat rapid la sfârșitul anilor 1990 și au fost luate în considerare o varietate de aplicații în optoelectronica super-paralelă. Dispozitivele de 980nm, 850nm și 780nm sunt deja practice în sistemele optice. În prezent, laserele cu emisie de suprafață cu cavitate verticală au fost utilizate în rețelele de mare viteză Gigabit Ethernet.

Aplicații ale laserelor semiconductoare
Laserele cu semiconductori sunt o clasă de lasere care se maturizează mai devreme și progresează mai repede. Datorită gamei lor largi de lungimi de undă, producției simple, costurilor reduse și producției în masă ușoare și datorită dimensiunilor mici, greutății reduse și duratei de viață lungi, au o dezvoltare rapidă în varietăți și aplicații. O gamă largă, în prezent peste 300 de specii.

1. Aplicare în industrie și tehnologie
1) Comunicare prin fibră optică.Laser semiconductoreste singura sursă de lumină practică pentru sistemul de comunicații cu fibră optică, iar comunicarea prin fibră optică a devenit curentul principal al tehnologiei contemporane de comunicare.
2) Acces la disc. Laserele semiconductoare au fost folosite în memoria discurilor optice, iar cel mai mare avantaj al acestuia este că stochează o cantitate mare de informații de sunet, text și imagine. Utilizarea laserelor albastre și verzi poate îmbunătăți considerabil densitatea de stocare a discurilor optice.
3) Analiza spectrală. Laserele semiconductoare reglabile în infraroșu îndepărtat au fost utilizate în analiza gazelor ambientale, monitorizarea poluării aerului, evacuarea automobilelor etc. Poate fi utilizat în industrie pentru a monitoriza procesul de depunere a vaporilor.
4) Prelucrarea optică a informațiilor. Laserele semiconductoare au fost utilizate în sistemele informatice optice. Rețelele bidimensionale de lasere semiconductoare cu emisie de suprafață sunt surse de lumină ideale pentru sistemele optice de procesare paralelă, care vor fi utilizate în computere și rețele neuronale optice.
5) Microfabricare cu laser. Cu ajutorul impulsurilor de lumină ultrascurte de înaltă energie generate de laserele semiconductoare Q-switched, circuitele integrate pot fi tăiate, perforate etc.
6) Alarma cu laser. Alarmele laser cu semiconductor sunt utilizate pe scară largă, inclusiv alarme antiefracție, alarme de nivel de apă, alarme de distanță pentru vehicule etc.
7) Imprimante laser. Laserele semiconductoare de mare putere au fost folosite în imprimantele laser. Utilizarea laserelor albastre și verzi poate îmbunătăți considerabil viteza și rezoluția de imprimare.
8) Scaner de coduri de bare cu laser. Scanerele de coduri de bare cu laser cu semiconductor au fost utilizate pe scară largă în vânzările de bunuri și în gestionarea cărților și arhivelor.
9) Pompați lasere cu stare solidă. Aceasta este o aplicație importantă a laserelor semiconductoare de mare putere. Folosirea acesteia pentru a înlocui lampa de atmosferă originală poate forma un sistem laser cu stare solidă.
10) Televizor cu laser de înaltă definiție. În viitorul apropiat, se estimează că televizoarele laser cu semiconductor fără tuburi catodice, care utilizează lasere roșii, albastre și verzi, consumă cu 20% mai puțină energie decât televizoarele existente.

2. Aplicații în cercetarea medicală și științele vieții
1) Chirurgie cu laser.Laserele semiconductoareau fost utilizate pentru ablația țesuturilor moi, legarea țesuturilor, coagulare și vaporizare. Această tehnică este utilizată pe scară largă în chirurgia generală, chirurgia plastică, dermatologie, urologie, obstetrică și ginecologie etc.
2) Terapia dinamică cu laser. Substanțele fotosensibile care au afinitate pentru tumoră se acumulează selectiv în țesutul canceros, iar țesutul canceros este iradiat cu un laser semiconductor pentru a genera specii reactive de oxigen, urmărindu-se să o facă necrotică fără a deteriora țesutul sănătos.
3) Cercetarea în știința vieții. Folosind „pensetele optice” alelasere semiconductoare, este posibil să capturați celule vii sau cromozomi și să le mutați în orice poziție. A fost folosit pentru a promova sinteza celulelor și studiile de interacțiune celulară și poate fi, de asemenea, utilizat ca tehnologie de diagnosticare pentru colectarea de dovezi criminalistice.