Ang prinsipyo ng pagpapatakbo at mga pangunahing uri ng semiconductor laser

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo at mga pangunahing urilaser na semikondaktor

SemikonduktorMga laser diode, dahil sa kanilang mataas na kahusayan, pagpapaliit at pagkakaiba-iba ng wavelength, ay malawakang ginagamit bilang mga pangunahing bahagi ng teknolohiyang optoelectronic sa mga larangan tulad ng komunikasyon, pangangalagang medikal at pagprosesong pang-industriya. Ipinakikilala pa ng artikulong ito ang prinsipyo ng paggana at mga uri ng semiconductor laser, na maginhawa para sa sanggunian sa pagpili ng karamihan ng mga mananaliksik ng optoelectronic.

1. Ang prinsipyo ng pagpapalabas ng liwanag ng mga semiconductor laser

Ang prinsipyo ng luminescence ng mga semiconductor laser ay batay sa istruktura ng band, mga electronic transition, at stimulated emission ng mga materyales na semiconductor. Ang mga materyales na semiconductor ay isang uri ng materyal na may bandgap, na kinabibilangan ng valence band at conduction band. Kapag ang materyal ay nasa ground state, pinupuno ng mga electron ang valence band habang walang mga electron sa conduction band. Kapag ang isang partikular na electric field ay inilapat sa labas o isang current ang iniksyon, ang ilang mga electron ay lilipat mula sa valence band patungo sa conduction band, na bumubuo ng mga electron-hole pair. Sa proseso ng paglabas ng enerhiya, kapag ang mga electron-hole pair na ito ay pinasigla ng labas na mundo, ang mga photon, iyon ay, mga laser, ay mabubuo.

2. Mga pamamaraan ng paggulo ng mga laser ng semiconductor

Mayroong pangunahing tatlong paraan ng paggulo para sa mga semiconductor laser, katulad ng uri ng electrical injection, uri ng optical pump at uri ng high-energy electron beam excitation.

Mga laser na semiconductor na iniksiyon ng kuryente: Sa pangkalahatan, ang mga ito ay mga semiconductor surface-junction diode na gawa sa mga materyales tulad ng gallium arsenide (GaAs), cadmium sulfide (CdS), indium phosphide (InP), at zinc sulfide (ZnS). Nae-excite ang mga ito sa pamamagitan ng pag-iniksiyon ng kuryente sa forward bias, na lumilikha ng stimulated emission sa rehiyon ng junction plane.

Mga laser na semiconductor na may optical pump: Sa pangkalahatan, ang mga N-type o P-type na semiconductor single crystal (tulad ng GaAS, InAs, InSb, atbp.) ay ginagamit bilang gumaganang sangkap, at anglaserAng mga laser na inilalabas ng ibang mga laser ay ginagamit bilang optically pumped excitation.

Mga high-energy electron beam-excited semiconductor laser: Sa pangkalahatan, gumagamit din sila ng N-type o P-type semiconductor single crystals (tulad ng PbS, CdS, ZhO, atbp.) bilang gumaganang substance at nae-excite sa pamamagitan ng pag-inject ng high-energy electron beam mula sa labas. Sa mga semiconductor laser device, ang may mas mahusay na performance at mas malawak na aplikasyon ay ang electrically injected GaAs diode laser na may double heterostructure.

3. Ang mga pangunahing uri ng semiconductor laser

Ang Aktibong Rehiyon ng isang semiconductor laser ay ang pangunahing lugar para sa pagbuo at pagpapalakas ng photon, at ang kapal nito ay ilang micrometer lamang. Ang mga panloob na istruktura ng waveguide ay ginagamit upang limitahan ang lateral diffusion ng mga photon at mapahusay ang density ng enerhiya (tulad ng mga ridge waveguide at buried heterojunction). Ang laser ay gumagamit ng disenyo ng heat sink at pumipili ng mga materyales na may mataas na thermal conductivity (tulad ng copper-tungsten alloy) para sa mabilis na pagkalat ng init, na maaaring maiwasan ang wavelength drift na dulot ng sobrang pag-init. Ayon sa kanilang istruktura at mga senaryo ng aplikasyon, ang mga semiconductor laser ay maaaring uriin sa sumusunod na apat na kategorya:

Laser na Naglalabas ng Gilid (EEL)

Ang laser ay inilalabas mula sa ibabaw ng cleavage sa gilid ng chip, na bumubuo ng isang elliptical spot (na may divergence Angle na humigit-kumulang 30°×10°). Ang mga karaniwang wavelength ay kinabibilangan ng 808nm (para sa pumping), 980 nm (para sa komunikasyon), at 1550 nm (para sa fiber communication). Malawakang ginagamit ito sa high-power industrial cutting, fiber laser pumping sources, at optical communication backbone networks.

2. Laser na Naglalabas ng Patayong Lubhang Ibabaw (VCSEL)

Ang laser ay inilalabas nang patayo sa ibabaw ng chip, na may pabilog at simetrikong sinag (divergence Angle <15°). Pinagsasama nito ang isang distributed Bragg reflector (DBR), na nag-aalis ng pangangailangan para sa isang panlabas na reflector. Malawakang ginagamit ito sa 3D sensing (tulad ng mobile phone face recognition), short-range optical communication (mga data center), at LiDAR.

3. Quantum Cascade Laser (QCL)

Batay sa cascade transition ng mga electron sa pagitan ng mga quantum Well, ang wavelength ay sumasaklaw sa mid-to-far-infrared range (3-30 μm), nang hindi nangangailangan ng population inversion. Ang mga photon ay nalilikha sa pamamagitan ng intersubband transitions at karaniwang ginagamit sa mga aplikasyon tulad ng gas sensing (tulad ng CO₂ detection), terahertz imaging, at environmental monitoring.

4. Naaayon na Laser

Ang disenyo ng panlabas na lukab ng tunable laser (grating/prism/MEMS mirror) ay maaaring makamit ang wavelength tuning range na ±50 nm, na may makitid na linewidth (<100 kHz) at mataas na side-mode rejection ratio (>50 dB). Karaniwan itong ginagamit sa mga aplikasyon tulad ng dense wavelength division multiplexing (DWDM) communication, spectral analysis, at biomedical imaging. Ang mga semiconductor laser ay malawakang ginagamit sa mga communication laser device, digital laser storage device, laser processing equipment, laser marking at packaging equipment, laser typesetting at printing, laser medical equipment, laser distance at collimation detection instruments, laser instruments at equipment para sa entertainment at edukasyon, laser components at parts, atbp. Kabilang ang mga ito sa mga pangunahing bahagi ng industriya ng laser. Dahil sa malawak na hanay ng mga aplikasyon nito, maraming brand at manufacturer ng laser. Kapag pumipili, dapat itong batay sa mga partikular na pangangailangan at larangan ng aplikasyon. Iba't ibang manufacturer ang may iba't ibang aplikasyon sa iba't ibang larangan, at ang pagpili ng mga manufacturer at laser ay dapat gawin ayon sa aktwal na larangan ng aplikasyon ng proyekto.