Принцип работы и основные типыполупроводниковый лазер
ПолупроводникЛазерные диодыБлагодаря высокой эффективности, миниатюризации и разнообразию длин волн, полупроводниковые лазеры широко используются в качестве основных компонентов оптоэлектронной техники в таких областях, как связь, медицина и промышленная обработка. В данной статье также подробно рассматриваются принцип работы и типы полупроводниковых лазеров, что удобно для выбора большинством исследователей в области оптоэлектроники.
1. Принцип излучения света полупроводниковыми лазерами
Принцип люминесценции полупроводниковых лазеров основан на зонной структуре, электронных переходах и стимулированном излучении полупроводниковых материалов. Полупроводниковые материалы — это тип материалов с запрещенной зоной, включающей валентную зону и зону проводимости. Когда материал находится в основном состоянии, электроны заполняют валентную зону, в то время как в зоне проводимости электронов нет. При приложении определенного электрического поля или подаче тока некоторые электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, образуя электронно-дырочные пары. В процессе высвобождения энергии, когда эти электронно-дырочные пары стимулируются внешним воздействием, генерируются фотоны, то есть лазерные лучи.
2. Методы возбуждения полупроводниковых лазеров
В основном существует три метода возбуждения полупроводниковых лазеров: электрический инжекционный метод, оптическая накачка и метод 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 путем инжекции тока при прямом смещении, генерируя стимулированное излучение в области плоскости перехода.
Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой: как правило, в качестве рабочего вещества используются монокристаллы полупроводников N- или P-типа (например, GaAs, InAs, InSb и т. д.), алазерИзлучение, испускаемое другими лазерами, используется в качестве оптически возбуждающего излучения.
Полупроводниковые лазеры, возбуждаемые высокоэнергетическим электронным пучком: как правило, в них также используются монокристаллы полупроводников N- или P-типа (например, PbS, CdS, ZhO и др.) в качестве рабочего вещества, а возбуждение осуществляется путем инжекции высокоэнергетического электронного пучка извне. Среди полупроводниковых лазерных устройств лучшими характеристиками и более широким применением является диодный лазер на основе GaAs с электрической инжекцией и двойной гетероструктурой.
3. Основные типы полупроводниковых лазеров
Активная область полупроводникового лазера — это центральная область генерации и усиления фотонов, толщина которой составляет всего несколько микрометров. Для ограничения бокового распространения фотонов и повышения плотности энергии используются внутренние волноводные структуры (например, гребенчатые волноводы и скрытые гетеропереходы). В лазере применяется конструкция с радиатором и используются материалы с высокой теплопроводностью (например, сплав меди и вольфрама) для быстрого рассеивания тепла, что предотвращает дрейф длины волны, вызванный перегревом. В зависимости от структуры и сценариев применения полупроводниковые лазеры можно разделить на следующие четыре категории:
Лазер с краевым излучением (EEL)
Лазерный луч излучается с поверхности скола на боковой стороне чипа, образуя эллиптическое пятно (с углом расходимости приблизительно 30°×10°). Типичные длины волн включают 808 нм (для накачки), 980 нм (для связи) и 1550 нм (для волоконно-оптической связи). Он широко используется в мощной промышленной резке, в качестве источников лазерной накачки для волоконных лазеров и в магистральных сетях оптической связи.
2. Лазер с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)
Лазерный луч излучается перпендикулярно поверхности чипа, образуя круговой и симметричный луч (угол расходимости <15°). В нем интегрирован распределенный брэгговский отражатель (DBR), что исключает необходимость во внешнем отражателе. Он широко используется в 3D-сканировании (например, распознавание лиц в мобильных телефонах), оптической связи ближнего действия (центры обработки данных) и LiDAR.
3. Квантово-каскадный лазер (QCL)
Основанный на каскадном переходе электронов между квантовыми ямами, этот метод позволяет получить волны в средне- и дальнеинфракрасном диапазоне (3-30 мкм) без необходимости инверсии населенности. Фотоны генерируются посредством межподзонных переходов и широко используются в таких областях, как газовый анализ (например, обнаружение 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 областях, как связь с плотным мультиплексированием по длине волны (DWDM), спектральный анализ и биомедицинская визуализация. Полупроводниковые лазеры широко применяются в коммуникационных лазерных устройствах, цифровых лазерных запоминающих устройствах, лазерном оборудовании для обработки материалов, лазерном маркировочном и упаковочном оборудовании, лазерной верстке 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 относятся к основным компонентам лазерной промышленности. Благодаря широкому спектру применения существует множество марок и производителей лазеров. При выборе следует руководствоваться конкретными потребностями и областями применения. Разные производители предлагают различные области применения, и выбор производителя и лазера должен производиться в соответствии с фактической областью применения проекта.
Дата публикации: 05.11.2025