Η αρχή λειτουργίας και οι κύριοι τύποιλέιζερ ημιαγωγών
ΗμιαγωγόςΔίοδοι λέιζερ, με την υψηλή τους απόδοση, τη σμίκρυνση και την ποικιλομορφία μήκους κύματος, χρησιμοποιούνται ευρέως ως βασικά συστατικά της οπτοηλεκτρονικής τεχνολογίας σε τομείς όπως οι επικοινωνίες, η ιατρική περίθαλψη και η βιομηχανική επεξεργασία. Αυτό το άρθρο εισάγει περαιτέρω την αρχή λειτουργίας και τους τύπους των ημιαγωγικών λέιζερ, κάτι που είναι βολικό για την επιλογή αναφοράς της πλειοψηφίας των οπτοηλεκτρονικών ερευνητών.
1. Η αρχή εκπομπής φωτός των ημιαγωγικών λέιζερ
Η αρχή της φωταύγειας των ημιαγωγικών λέιζερ βασίζεται στη δομή της ζώνης, στις ηλεκτρονικές μεταβάσεις και στην διεγερμένη εκπομπή των ημιαγωγικών υλικών. Τα ημιαγωγικά υλικά είναι ένας τύπος υλικού με ενεργειακό χάσμα, το οποίο περιλαμβάνει μια ζώνη σθένους και μια ζώνη αγωγιμότητας. Όταν το υλικό βρίσκεται στη θεμελιώδη κατάσταση, τα ηλεκτρόνια γεμίζουν τη ζώνη σθένους, ενώ δεν υπάρχουν ηλεκτρόνια στη ζώνη αγωγιμότητας. Όταν εφαρμόζεται ένα συγκεκριμένο ηλεκτρικό πεδίο εξωτερικά ή διοχετεύεται ρεύμα, ορισμένα ηλεκτρόνια θα μεταβούν από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας, σχηματίζοντας ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Κατά τη διαδικασία απελευθέρωσης ενέργειας, όταν αυτά τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών διεγείρονται από τον εξωτερικό κόσμο, θα δημιουργηθούν φωτόνια, δηλαδή λέιζερ.
2. Μέθοδοι διέγερσης ημιαγωγικών λέιζερ
Υπάρχουν κυρίως τρεις μέθοδοι διέγερσης για τα λέιζερ ημιαγωγών, συγκεκριμένα ο τύπος ηλεκτρικής έγχυσης, ο τύπος οπτικής αντλίας και ο τύπος διέγερσης με δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας.
Ηλεκτρικά εγχυόμενα λέιζερ ημιαγωγών: Γενικά, είναι διόδους ημιαγωγών επιφανειακής σύνδεσης κατασκευασμένες από υλικά όπως αρσενικούχο γάλλιο (GaAs), θειούχο κάδμιο (CdS), φωσφίδιο ινδίου (InP) και θειούχο ψευδάργυρο (ZnS). Διεγείρονται με την έγχυση ρεύματος κατά μήκος της ορθής πόλωσης, δημιουργώντας διεγερμένη εκπομπή στην περιοχή του επιπέδου σύνδεσης.
Οπτικά αντλούμενα λέιζερ ημιαγωγών: Γενικά, μονοκρύσταλλοι ημιαγωγών τύπου N ή P (όπως GaAS, InAs, InSb, κ.λπ.) χρησιμοποιούνται ως ουσία εργασίας, και τολέιζερπου εκπέμπεται από άλλα λέιζερ χρησιμοποιείται ως οπτικά αντλούμενη διέγερση.
Λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ενέργειας που διεγείρονται με δέσμη ηλεκτρονίων: Γενικά, χρησιμοποιούν επίσης μονοκρυστάλλους ημιαγωγών τύπου N ή P (όπως PbS, CdS, ZhO, κ.λπ.) ως λειτουργική ουσία και διεγείρονται με την έγχυση μιας δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας από έξω. Μεταξύ των συσκευών λέιζερ ημιαγωγών, αυτή με καλύτερη απόδοση και ευρύτερη εφαρμογή είναι το ηλεκτρικά εγχυόμενο διοδικό λέιζερ GaAs με διπλή ετεροδομή.
3. Οι κύριοι τύποι λέιζερ ημιαγωγών
Η Ενεργή Περιοχή ενός ημιαγωγικού λέιζερ είναι η κεντρική περιοχή για την παραγωγή και την ενίσχυση φωτονίων, και το πάχος της είναι μόνο λίγα μικρόμετρα. Οι εσωτερικές δομές κυματοδηγών χρησιμοποιούνται για να περιορίσουν την πλευρική διάχυση των φωτονίων και να ενισχύσουν την ενεργειακή πυκνότητα (όπως κυματοδηγοί κορυφογραμμής και θαμμένες ετεροεπαφές). Το λέιζερ υιοθετεί σχεδιασμό ψύκτρας και επιλέγει υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας (όπως κράμα χαλκού-βολφραμίου) για ταχεία απαγωγή θερμότητας, η οποία μπορεί να αποτρέψει την μετατόπιση μήκους κύματος που προκαλείται από υπερθέρμανση. Σύμφωνα με τη δομή και τα σενάρια εφαρμογής τους, τα ημιαγωγικά λέιζερ μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες τέσσερις κατηγορίες:
Λέιζερ εκπομπής ακμών (EEL)
Το λέιζερ εξάγεται από την επιφάνεια διάσπασης στο πλάι του τσιπ, σχηματίζοντας μια ελλειπτική κηλίδα (με γωνία απόκλισης περίπου 30°×10°). Τυπικά μήκη κύματος περιλαμβάνουν 808nm (για άντληση), 980 nm (για επικοινωνία) και 1550 nm (για επικοινωνία οπτικών ινών). Χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανική κοπή υψηλής ισχύος, πηγές άντλησης λέιζερ οπτικών ινών και δίκτυα κορμού οπτικών επικοινωνιών.
2. Λέιζερ επιφανειακής εκπομπής κάθετης κοιλότητας (VCSEL)
Το λέιζερ εκπέμπεται κάθετα στην επιφάνεια του τσιπ, με κυκλική και συμμετρική δέσμη (γωνία απόκλισης <15°). Ενσωματώνει έναν κατανεμημένο ανακλαστήρα Bragg (DBR), εξαλείφοντας την ανάγκη για εξωτερικό ανακλαστήρα. Χρησιμοποιείται ευρέως στην τρισδιάστατη ανίχνευση (όπως η αναγνώριση προσώπου από κινητά τηλέφωνα), στην οπτική επικοινωνία μικρής εμβέλειας (κέντρα δεδομένων) και στο LiDAR.
3. Κβαντικό Λέιζερ Καταρράκτη (QCL)
Με βάση την καταρρακτώδη μετάβαση των ηλεκτρονίων μεταξύ των κβαντικών φρεατίων, το μήκος κύματος καλύπτει την περιοχή από το μέσο έως το μακρινό υπέρυθρο (3-30 μm), χωρίς την ανάγκη αντιστροφής πληθυσμού. Τα φωτόνια παράγονται μέσω μεταβάσεων μεταξύ υποζωνών και χρησιμοποιούνται συνήθως σε εφαρμογές όπως η ανίχνευση αερίων (όπως η ανίχνευση CO₂), η απεικόνιση terahertz και η παρακολούθηση του περιβάλλοντος.
Ο σχεδιασμός εξωτερικής κοιλότητας του ρυθμιζόμενου λέιζερ (φράγμα/πρίσμα/κάτοπτρο MEMS) μπορεί να επιτύχει εύρος συντονισμού μήκους κύματος ±50 nm, με στενό πλάτος γραμμής (<100 kHz) και υψηλό λόγο απόρριψης πλευρικής λειτουργίας (>50 dB). Χρησιμοποιείται συνήθως σε εφαρμογές όπως η επικοινωνία πυκνής πολυπλεξίας διαίρεσης μήκους κύματος (DWDM), η φασματική ανάλυση και η βιοϊατρική απεικόνιση. Τα ημιαγωγικά λέιζερ χρησιμοποιούνται ευρέως σε συσκευές λέιζερ επικοινωνίας, ψηφιακές συσκευές αποθήκευσης λέιζερ, εξοπλισμό επεξεργασίας λέιζερ, εξοπλισμό σήμανσης και συσκευασίας λέιζερ, στοιχειοθεσία και εκτύπωση λέιζερ, ιατρικό εξοπλισμό λέιζερ, όργανα ανίχνευσης απόστασης και ευθυγράμμισης λέιζερ, όργανα και εξοπλισμό λέιζερ για ψυχαγωγία και εκπαίδευση, εξαρτήματα και ανταλλακτικά λέιζερ κ.λπ. Ανήκουν στα βασικά συστατικά της βιομηχανίας λέιζερ. Λόγω του ευρέος φάσματος εφαρμογών τους, υπάρχουν πολλές μάρκες και κατασκευαστές λέιζερ. Κατά την επιλογή, θα πρέπει να βασίζεται σε συγκεκριμένες ανάγκες και πεδία εφαρμογής. Διαφορετικοί κατασκευαστές έχουν διαφορετικές εφαρμογές σε διάφορους τομείς και η επιλογή κατασκευαστών και λέιζερ θα πρέπει να γίνεται σύμφωνα με το πραγματικό πεδίο εφαρμογής του έργου.
Ώρα δημοσίευσης: 05 Νοεμβρίου 2025