Принцип работы и основные типыполупроводниковый лазер
ПолупроводникЛазерные диодыБлагодаря высокой эффективности, миниатюризации и разнообразию длин волн полупроводниковые лазеры широко используются в качестве основных компонентов оптоэлектронных технологий в таких областях, как связь, медицина и промышленная обработка. В данной статье подробно рассматриваются принцип работы и типы полупроводниковых лазеров, что может быть полезным для большинства исследователей в области оптоэлектроники.
1. Принцип излучения света полупроводниковыми лазерами
Принцип люминесценции полупроводниковых лазеров основан на зонной структуре, электронных переходах и вынужденном излучении полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы – это тип материалов с запрещённой зоной, которая включает валентную зону и зону проводимости. В основном состоянии электроны заполняют валентную зону, тогда как в зоне проводимости электроны отсутствуют. При приложении внешнего электрического поля или пропускании тока часть электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости, образуя электронно-дырочные пары. В процессе выделения энергии, когда эти электронно-дырочные пары стимулируются внешним излучением, генерируются фотоны, то есть лазеры.
2. Методы возбуждения полупроводниковых лазеров
Существует три основных метода возбуждения полупроводниковых лазеров, а именно: электрический инжекционный тип, тип оптической накачки и тип возбуждения высокоэнергетическим электронным пучком.
Полупроводниковые лазеры с электрической инжекцией: как правило, это полупроводниковые диоды с поверхностным переходом, изготовленные из таких материалов, как арсенид галлия (GaAs), сульфид кадмия (CdS), фосфид индия (InP) и сульфид цинка (ZnS). Они возбуждаются инжекцией тока вдоль прямого смещения, генерируя вынужденное излучение в области плоскости перехода.
Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой: Обычно в качестве рабочего вещества используются монокристаллы полупроводников N-типа или P-типа (например, GaAS, InAs, InSb и т. д.), алазерВ качестве оптически накачиваемого возбуждения используется излучение других лазеров.
Высокоэнергетические полупроводниковые лазеры с возбуждением электронным пучком: как правило, в качестве рабочего вещества используются монокристаллы полупроводников N- или P-типа (например, PbS, CdS, ZhO и др.), а их возбуждение осуществляется инжекцией извне высокоэнергетического электронного пучка. Среди полупроводниковых лазерных приборов наиболее эффективным и широко применяемым является диодный лазер на GaAs с электрической инжекцией и двойной гетероструктурой.
3. Основные типы полупроводниковых лазеров
Активная область полупроводникового лазера – это основная область генерации и усиления фотонов, её толщина составляет всего несколько микрометров. Внутренние волноводные структуры используются для ограничения латеральной диффузии фотонов и повышения плотности энергии (например, гребневые волноводы и скрытые гетеропереходы). Лазер имеет конструкцию с теплоотводом и использует материалы с высокой теплопроводностью (например, медно-вольфрамовый сплав) для быстрого рассеивания тепла, что позволяет предотвратить дрейф длины волны, вызванный перегревом. В зависимости от структуры и области применения полупроводниковые лазеры можно разделить на следующие четыре категории:
Лазер с торцевым излучением (EEL)
Лазер выходит из поверхности скола на боковой стороне чипа, образуя эллиптическое пятно (с углом расхождения приблизительно 30°×10°). Типичные длины волн включают 808 нм (для накачки), 980 нм (для передачи данных) и 1550 нм (для волоконно-оптической связи). Он широко используется в мощных промышленных системах резки, в качестве источников накачки волоконных лазеров и в магистральных оптических сетях связи.
2. Вертикальный лазер с поверхностным излучением (VCSEL)
Лазер излучается перпендикулярно поверхности чипа, образуя круговой и симметричный луч (угол расхождения <15°). Он оснащён распределённым брэгговским отражателем (DBR), что устраняет необходимость во внешнем отражателе. Он широко используется в трёхмерных системах сканирования (например, для распознавания лиц в мобильных телефонах), оптической связи малого радиуса действия (в центрах обработки данных) и лидарах (LiDAR).
3. Квантовый каскадный лазер (ККЛ)
Основанный на каскадном переходе электронов между квантовыми ямами, этот метод охватывает средний и дальний инфракрасный диапазон (3–30 мкм) без необходимости инверсии населённости. Фотоны генерируются посредством межподзонных переходов и широко используются в таких приложениях, как газоанализаторы (например, CO₂), терагерцовая визуализация и мониторинг окружающей среды.
Конструкция внешнего резонатора перестраиваемого лазера (решетка/призма/MEMS-зеркало) позволяет достичь диапазона перестройки длины волны ±50 нм, с узкой шириной линии (<100 кГц) и высоким коэффициентом подавления боковых мод (>50 дБ). Он широко используется в таких приложениях, как связь с плотным спектральным уплотнением каналов (DWDM), спектральный анализ и биомедицинская визуализация. Полупроводниковые лазеры широко используются в лазерных устройствах связи, цифровых лазерных запоминающих устройствах, оборудовании для лазерной обработки, лазерной маркировке и упаковке, лазерном наборе и печати, лазерном медицинском оборудовании, лазерных приборах для измерения расстояния и коллимации, лазерных приборах и оборудовании для развлечений и образования, лазерных компонентах и деталях и т. д. Они являются одними из основных компонентов лазерной промышленности. Благодаря широкому спектру применения существует множество марок и производителей лазеров. При выборе следует основываться на конкретных потребностях и областях применения. Разные производители имеют различные области применения, поэтому выбор производителя и лазера должен осуществляться в соответствии с фактической областью применения проекта.
Время публикации: 05 ноября 2025 г.