O principio de funcionamento e os principais tipos deláser semicondutor
Semicondutoresdíodos láser, coa súa alta eficiencia, miniaturización e diversidade de lonxitudes de onda, úsanse amplamente como compoñentes básicos da tecnoloxía optoelectrónica en campos como a comunicación, a atención médica e o procesamento industrial. Este artigo presenta ademais o principio de funcionamento e os tipos de láseres semicondutores, o que resulta conveniente para a referencia de selección da maioría dos investigadores optoelectrónicos.
1. O principio de emisión de luz dos láseres semicondutores
O principio de luminescencia dos láseres semicondutores baséase na estrutura de bandas, as transicións electrónicas e a emisión estimulada dos materiais semicondutores. Os materiais semicondutores son un tipo de material cun intervalo de banda, que inclúe unha banda de valencia e unha banda de condución. Cando o material está no estado fundamental, os electróns enchen a banda de valencia mentres que non hai electróns na banda de condución. Cando se aplica un determinado campo eléctrico externamente ou se inxecta unha corrente, algúns electróns farán unha transición da banda de valencia á banda de condución, formando pares electrón-burato. Durante o proceso de liberación de enerxía, cando estes pares electrón-burato son estimulados polo mundo exterior, xéranse fotóns, é dicir, láseres.
2. Métodos de excitación de láseres semicondutores
Existen principalmente tres métodos de excitación para láseres semicondutores, concretamente o tipo de inxección eléctrica, o tipo de bomba óptica e o tipo de excitación por feixe de electróns de alta enerxía.
Láseres semicondutores inxectados electricamente: xeralmente, son díodos semicondutores de unión superficial feitos de materiais como arseniuro de galio (GaAs), sulfuro de cadmio (CdS), fosfuro de indio (InP) e sulfuro de zinc (ZnS). Excítanse inxectando corrente ao longo da polarización directa, xerando emisión estimulada na rexión do plano de unión.
Láseres semicondutores bombeados opticamente: xeralmente, utilízanse monocristais semicondutores de tipo N ou P (como GaAS, InAs, InSb, etc.) como substancia de traballo, e oláseremitida por outros láseres utilízase como excitación bombeada opticamente.
Láseres semicondutores excitados por feixe de electróns de alta enerxía: xeralmente, tamén empregan monocristais semicondutores de tipo N ou P (como PbS, CdS, ZhO, etc.) como substancia de traballo e excítanse inxectando un feixe de electróns de alta enerxía desde o exterior. Entre os dispositivos láser semicondutores, o que ten mellor rendemento e unha aplicación máis ampla é o láser de díodo GaAs inxectado electricamente cunha heteroestrutura dobre.
3. Os principais tipos de láseres semicondutores
A Rexión Activa dun láser semicondutor é a área central para a xeración e amplificación de fotóns, e o seu grosor é de só uns poucos micrómetros. As estruturas internas de guía de ondas utilízanse para restrinxir a difusión lateral dos fotóns e mellorar a densidade de enerxía (como guías de ondas de cristas e heterounións soterradas). O láser adopta un deseño de disipador de calor e selecciona materiais de alta condutividade térmica (como aliaxe de cobre-volframio) para unha rápida disipación da calor, o que pode evitar a deriva da lonxitude de onda causada polo sobrequecemento. Segundo a súa estrutura e os escenarios de aplicación, os láseres semicondutores pódense clasificar nas seguintes catro categorías:
Láser de emisión de bordos (EEL)
O láser sae da superficie de clivaxe no lateral do chip, formando un punto elíptico (cun ángulo de diverxencia de aproximadamente 30° × 10°). As lonxitudes de onda típicas inclúen 808 nm (para bombeo), 980 nm (para comunicación) e 1550 nm (para comunicación por fibra). Úsase amplamente en corte industrial de alta potencia, fontes de bombeo con láser de fibra e redes troncais de comunicación óptica.
2. Láser de emisión superficial de cavidade vertical (VCSEL)
O láser emítese perpendicularmente á superficie do chip, cun feixe circular e simétrico (ángulo de diverxencia <15°). Integra un reflector de Bragg distribuído (DBR), eliminando a necesidade dun reflector externo. Úsase amplamente en detección 3D (como o recoñecemento facial de teléfonos móbiles), comunicación óptica de curto alcance (centros de datos) e LiDAR.
3. Láser en cascada cuántica (QCL)
Baseándose na transición en cascada de electróns entre os pozos cuánticos, a lonxitude de onda abrangue o rango do infravermello medio ao afastado (3-30 μm), sen necesidade de inversión de poboación. Os fotóns xéranse mediante transicións entre subbandas e úsanse habitualmente en aplicacións como a detección de gases (como a detección de CO₂), a obtención de imaxes de terahercios e a monitorización ambiental.
O deseño da cavidade externa do láser sintonizable (reixa/prisma/espello MEMS) pode alcanzar un rango de sintonización de lonxitude de onda de ±50 nm, cun ancho de liña estreito (<100 kHz) e unha alta relación de rexeitamento de modo lateral (>50 dB). Úsase habitualmente en aplicacións como a comunicación por multiplexación por división de lonxitude de onda densa (DWDM), a análise espectral e a imaxe biomédica. Os láseres semicondutores úsanse amplamente en dispositivos láser de comunicación, dispositivos de almacenamento láser dixital, equipos de procesamento láser, equipos de marcado e empaquetado láser, composición e impresión láser, equipos médicos láser, instrumentos de detección de distancia e colimación láser, instrumentos e equipos láser para entretemento e educación, compoñentes e pezas láser, etc. Pertencen aos compoñentes principais da industria láser. Debido á súa ampla gama de aplicacións, existen numerosas marcas e fabricantes de láseres. Ao facer unha elección, debe basearse en necesidades específicas e campos de aplicación. Os diferentes fabricantes teñen diferentes aplicacións en varios campos, e a selección de fabricantes e láseres debe facerse segundo o campo de aplicación real do proxecto.
Data de publicación: 05-11-2025