Принцип роботи та основні типинапівпровідниковий лазер
НапівпровідникЛазерні діоди, завдяки своїй високій ефективності, мініатюризації та різноманітності довжин хвиль, широко використовуються як основні компоненти оптоелектронних технологій у таких галузях, як зв'язок, медицина та промислова обробка. У цій статті далі розглядається принцип роботи та типи напівпровідникових лазерів, що є зручним для вибору орієнтиром для більшості дослідників оптоелектроніки.
1. Принцип випромінювання світла напівпровідникових лазерів
Принцип люмінесценції напівпровідникових лазерів базується на зонній структурі, електронних переходах та вимушеному випромінюванні напівпровідникових матеріалів. Напівпровідникові матеріали – це тип матеріалів із забороненою зоною, яка включає валентну зону та зону провідності. Коли матеріал знаходиться в основному стані, електрони заповнюють валентну зону, тоді як у зоні провідності немає електронів. Коли до певного електричного поля прикладається зовнішнє поле або пропускається струм, деякі електрони переходять з валентної зони в зону провідності, утворюючи електрон-діркові пари. Під час процесу вивільнення енергії, коли ці електрон-діркові пари стимулюються зовнішнім світом, генеруються фотони, тобто лазери.
2. Методи збудження напівпровідникових лазерів
Існує три основні методи збудження напівпровідникових лазерів, а саме: електричний інжекційний тип, оптичний тип накачування та тип збудження високоенергетичним електронним пучком.
Електрично інжекційні напівпровідникові лазери: як правило, це напівпровідникові діоди з поверхневим переходом, виготовлені з таких матеріалів, як арсенід галію (GaAs), сульфід кадмію (CdS), фосфід індію (InP) та сульфід цинку (ZnS). Вони збуджуються шляхом інжекції струму вздовж прямого зміщення, генеруючи вимушене випромінювання в області площини переходу.
Оптично накачувані напівпровідникові лазери: як робоча речовина зазвичай використовуються напівпровідникові монокристали N-типу або P-типу (такі як GaAS, InAs, InSb тощо).лазервипромінюване іншими лазерами використовується як оптично накачане збудження.
Напівпровідникові лазери, збуджені електронним пучком високої енергії: як правило, вони також використовують напівпровідникові монокристали N- або P-типу (такі як PbS, CdS, ZhO тощо) як робочу речовину та збуджуються шляхом інжекції високоенергетичного електронного пучка ззовні. Серед напівпровідникових лазерних пристроїв кращими характеристиками та ширшим застосуванням є електрично інжектований діодний лазер GaAs з подвійною гетероструктурою.
3. Основні типи напівпровідникових лазерів
Активна область напівпровідникового лазера є основною зоною для генерації та посилення фотонів, а її товщина становить лише кілька мікрометрів. Внутрішні хвилеводні структури використовуються для обмеження латеральної дифузії фотонів та підвищення щільності енергії (такі як ребристі хвилеводи та закопані гетеропереходи). Лазер використовує конструкцію радіатора та вибирає матеріали з високою теплопровідністю (такі як мідно-вольфрамовий сплав) для швидкого розсіювання тепла, що може запобігти дрейфу довжини хвилі, спричиненому перегрівом. Залежно від їхньої структури та сценаріїв застосування, напівпровідникові лазери можна класифікувати на такі чотири категорії:
Лазер з торцевим випромінюванням (EEL)
Лазер випромінюється з поверхні сколу на боці чіпа, утворюючи еліптичну пляму (з кутом розбіжності приблизно 30°×10°). Типові довжини хвиль включають 808 нм (для накачування), 980 нм (для зв'язку) та 1550 нм (для оптоволоконного зв'язку). Він широко використовується в потужному промисловому різанні, джерелах накачування волоконним лазером та оптичних магістральних мережах зв'язку.
2. Вертикальний резонаторний поверхневий випромінювальний лазер (VCSEL)
Лазер випромінює перпендикулярно до поверхні чіпа, з круглим та симетричним променем (кут розбіжності <15°). Він інтегрує розподілений брэгівський відбивач (DBR), що усуває потребу в зовнішньому відбивачі. Він широко використовується в 3D-зондуванні (наприклад, розпізнаванні облич мобільними телефонами), оптичному зв'язку ближнього радіусу дії (центри обробки даних) та LiDAR.
3. Квантовий каскадний лазер (ККЛ)
Завдяки каскадному переходу електронів між квантовими ямами, довжина хвилі охоплює середній та дальній інфрачервоний діапазон (3-30 мкм) без необхідності інверсії населеності. Фотони генеруються через міжпідзонні переходи та зазвичай використовуються в таких застосуваннях, як газове зондування (наприклад, виявлення CO₂), терагерцова візуалізація та моніторинг навколишнього середовища.
Конструкція зовнішнього резонатора настроюваного лазера (ґратка/призма/MEMS-дзеркало) дозволяє досягати діапазону налаштування довжини хвилі ±50 нм, з вузькою шириною лінії (<100 кГц) та високим коефіцієнтом придушення бічних мод (>50 дБ). Він зазвичай використовується в таких сферах, як зв'язок з щільним поділом довжин хвиль (DWDM), спектральний аналіз та біомедична візуалізація. Напівпровідникові лазери широко використовуються в комунікаційних лазерних пристроях, цифрових лазерних запам'ятовуючих пристроях, лазерному обробному обладнанні, обладнанні для лазерного маркування та пакування, лазерному наборі та друку, лазерному медичному обладнанні, лазерних приладах для визначення відстані та колімації, лазерних приладах та обладнанні для розваг та освіти, лазерних компонентах та деталях тощо. Вони належать до основних компонентів лазерної промисловості. Завдяки широкому спектру застосування існує безліч брендів та виробників лазерів. При виборі слід ґрунтуватися на конкретних потребах та сферах застосування. Різні виробники мають різні застосування в різних галузях, і вибір виробників та лазерів слід здійснювати відповідно до фактичної сфери застосування проекту.
Час публікації: 05 листопада 2025 р.