Funktionsprincippet og de vigtigste typerhalvlederlaser
HalvlederLaserdioder, med deres høje effektivitet, miniaturisering og bølgelængdediversitet, anvendes i vid udstrækning som kernekomponenter i optoelektronisk teknologi inden for områder som kommunikation, medicinsk behandling og industriel forarbejdning. Denne artikel introducerer yderligere arbejdsprincippet og typerne af halvlederlasere, hvilket er bekvemt som reference for de fleste optoelektroniske forskere.
1. Lysudsendelsesprincippet for halvlederlasere
Luminescensprincippet for halvlederlasere er baseret på båndstrukturen, elektroniske overgange og stimuleret emission fra halvledermaterialer. Halvledermaterialer er en type materiale med et båndgab, som omfatter et valensbånd og et ledningsbånd. Når materialet er i grundtilstanden, fylder elektroner valensbåndet, mens der ikke er elektroner i ledningsbåndet. Når et bestemt elektrisk felt påføres eksternt, eller en strøm injiceres, vil nogle elektroner overgå fra valensbåndet til ledningsbåndet og danne elektron-hul-par. Under processen med energifrigivelse, når disse elektron-hul-par stimuleres af omverdenen, vil der blive genereret fotoner, det vil sige lasere.
2. Excitationsmetoder for halvlederlasere
Der er primært tre excitationsmetoder til halvlederlasere, nemlig elektrisk injektionstype, optisk pumpetype og højenergi-elektronstråleexcitationstype.
Elektrisk injicerede halvlederlasere: Generelt er de halvlederoverfladeforbindelsesdioder lavet af materialer som galliumarsenid (GaAs), cadmiumsulfid (CdS), indiumphosphid (InP) og zinksulfid (ZnS). De exciteres ved at injicere strøm langs den fremadrettede forspænding, hvilket genererer stimuleret emission i forbindelsesplanområdet.
Optisk pumpede halvlederlasere: Generelt anvendes N-type eller P-type halvleder-enkeltkrystaller (såsom GaAS, InAs, InSb osv.) som arbejdsstof, oglaserUdsendt af andre lasere bruges som optisk pumpet excitation.
Højenergi-elektronstråle-exciterede halvlederlasere: Generelt bruger de også N-type eller P-type halvleder-enkeltkrystaller (såsom PbS, CdS, ZhO osv.) som arbejdsstof og exciteres ved at injicere en højenergi-elektronstråle udefra. Blandt halvlederlaseranordninger er den med bedre ydeevne og bredere anvendelse den elektrisk injicerede GaAs-diodelaser med en dobbelt heterostruktur.
3. Hovedtyperne af halvlederlasere
Det aktive område i en halvlederlaser er kerneområdet for fotongenerering og -forstærkning, og dets tykkelse er kun få mikrometer. Interne bølgelederstrukturer anvendes til at begrænse den laterale diffusion af fotoner og forbedre energitætheden (såsom højderygbølgeledere og nedgravede heterojunktioner). Laseren anvender et kølepladedesign og vælger materialer med høj termisk ledningsevne (såsom kobber-wolframlegering) for hurtig varmeafledning, hvilket kan forhindre bølgelængdedrift forårsaget af overophedning. I henhold til deres struktur og anvendelsesscenarier kan halvlederlasere klassificeres i følgende fire kategorier:
Kantemitterende laser (EEL)
Laseren udsendes fra kløvningsfladen på siden af chippen og danner en elliptisk plet (med en divergensvinkel på cirka 30° × 10°). Typiske bølgelængder omfatter 808 nm (til pumpning), 980 nm (til kommunikation) og 1550 nm (til fiberkommunikation). Den anvendes i vid udstrækning i industriel skæring med høj effekt, fiberlaserpumpekilder og optiske kommunikationsbackbone-netværk.
2. Vertikal hulrumsoverfladeemitterende laser (VCSEL)
Laseren udsendes vinkelret på chippens overflade med en cirkulær og symmetrisk stråle (divergensvinkel <15°). Den integrerer en distribueret Bragg-reflektor (DBR), hvilket eliminerer behovet for en ekstern reflektor. Den bruges i vid udstrækning inden for 3D-registrering (såsom ansigtsgenkendelse på mobiltelefoner), optisk kommunikation med kort rækkevidde (datacentre) og LiDAR.
3. Kvantekaskadelaser (QCL)
Baseret på kaskadeovergangen af elektroner mellem kvantebrønde dækker bølgelængden det mellem- til fjerninfrarøde område (3-30 μm) uden behov for populationsinversion. Fotoner genereres gennem intersubbåndsovergange og bruges almindeligvis i applikationer som gasregistrering (såsom CO₂-detektion), terahertz-billeddannelse og miljøovervågning.
Den justerbare lasers eksterne kavitetsdesign (gitter/prisme/MEMS-spejl) kan opnå et bølgelængdeindstillingsområde på ±50 nm, med en smal linjebredde (<100 kHz) og et højt side-mode-afvisningsforhold (>50 dB). Den bruges almindeligvis i applikationer som tæt bølgelængdedelingsmultipleksering (DWDM) kommunikation, spektralanalyse og biomedicinsk billeddannelse. Halvlederlasere anvendes i vid udstrækning i kommunikationslaserenheder, digitale laserlagringsenheder, laserbehandlingsudstyr, lasermærknings- og emballeringsudstyr, laseropsætning og -trykning, lasermedicinsk udstyr, laserafstands- og kollimeringsdetektionsinstrumenter, laserinstrumenter og -udstyr til underholdning og uddannelse, laserkomponenter og -dele osv. De tilhører kernekomponenterne i laserindustrien. På grund af dens brede vifte af anvendelser er der adskillige mærker og producenter af lasere. Når man træffer et valg, bør det være baseret på specifikke behov og anvendelsesområder. Forskellige producenter har forskellige anvendelser inden for forskellige områder, og valget af producenter og lasere bør foretages i henhold til projektets faktiske anvendelsesområde.
Opslagstidspunkt: 05. november 2025