¿Qué es un láser semiconductor? (Parte Ⅰ)

Desde la invención de la primeraLáseres semiconductoresen el mundo en 1962, el láser semiconductor ha sufrido grandes cambios, promoviendo en gran medida el desarrollo de otras ciencias y tecnologías, y es considerado como uno de los inventos más importantes del siglo XX. En las últimas décadas, el desarrollo del láser semiconductor es más rápido y se ha convertido en la tecnología láser de más rápido desarrollo en el mundo. La aplicación de láseres semiconductores cubre todo el campo de la optoelectrónica y se ha convertido en la tecnología central de la ciencia optoelectrónica. Debido a las ventajas de tamaño pequeño, estructura simple, baja energía de entrada, larga vida útil, facilidad de modulación y bajo precio, el láser semiconductor ha sido ampliamente utilizado en el campo de la optoelectrónica y ha sido muy valorado por países de todo el mundo.

1. Láseres semiconductores

El láser semiconductor es un tipo de láser miniaturizado que se compone de una unión Pn o Pin de material semiconductor de banda prohibida directa. Hay docenas de tipos de sustancias semiconductoras que funcionan con láser. En la actualidad, los materiales semiconductores que se han convertido en láseres son arseniuro de galio, arseniuro de indio, antimoniuro de indio, sulfuro de cadmio, telururo de cadmio, seleniuro de plomo, telururo de plomo, arsénico de galio y aluminio, arsénico de fósforo indio, etc. Hay tres tipos de modos de excitación de un láser semiconductor, a saber, inyección eléctrica, bomba óptica y excitación por haz de electrones de alta energía. El modo de excitación de la mayoría de los láseres semiconductores es la inyección eléctrica, es decir, se aplica voltaje directo a la unión Pn para generar una emisión estimulada en la región del plano de unión, es decir, es un diodo polarizado en directa. Por lo tanto, el láser semiconductor también se denomina diodo láser semiconductor. Para los semiconductores, dado que los electrones hacen la transición entre bandas de energía en lugar de entre niveles de energía discretos, la energía de transición no es un valor definido, lo que hace que la longitud de onda de salida del láser semiconductor se extienda en un amplio rango. Emiten longitudes de onda que van desde 0.3 a 34 μm. El rango de longitud de onda depende del intervalo de banda del material utilizado. El láser de heterounión doble AlGaAs común tiene una longitud de onda de salida de 750 ~ 890nm.

La tecnología de producción de láseres semiconductores ha experimentado desde el método de difusión hasta la epitaxia en fase líquida (LPE), la epitaxia en fase gaseosa (VPE), la epitaxia de haz molecular (MBE), el método MOCVD (deposición de vapor de metal orgánico), la epitaxia de haz químico (CBE) y sus diversos combinación de una variedad de procesos. La desventaja del láser semiconductor es que el rendimiento del láser se ve afectado por la temperatura y el ángulo de divergencia del haz es grande (generalmente entre varios grados y 20 grados), por lo que es pobre en directividad, propiedad monocromática y coherencia. Pero con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la investigación de los láseres dpss avanza en la dirección de la profundidad, y el rendimiento del láser semiconductor mejora constantemente. La tecnología de optoelectrónica de semiconductores con láser de semiconductores como núcleo avanzará más y desempeñará un papel más importante en la sociedad de la información del siglo XXI.

2. Principio de funcionamiento de los láseres semiconductores

El láser semiconductor es una fuente de radiación coherente. Se deben cumplir tres condiciones básicas para generar un láser.

①Condición de ganancia: se establece la distribución de inversión de los portadores de carga en el medio de excitación (región activa). En los semiconductores, la energía de los electrones está representada por una serie de niveles de energía casi continuos. Esto se logra aplicando una polarización directa a la unión homogénea o heterogénea e inyectando los portadores de carga necesarios en la capa activa para excitar los electrones de la banda de valencia más baja a la banda de conducción más alta. La emisión estimulada ocurre cuando una gran cantidad de electrones en el estado de población de partículas invertidas se recombinan con huecos.

②Para obtener realmente una radiación excitada coherente, se debe hacer que la radiación excitada en el resonador óptico obtenga retroalimentación múltiple y forme una oscilación láser, el resonador del láser está formado por la superficie de división natural del cristal semiconductor como un espejo, generalmente al final del revestimiento ligero en la película dieléctrica multicapa de alta inversión, y el revestimiento de superficie lisa en la película inversa reducida. Para el láser semiconductor de cavidad Fp (cavidad de Fabry-Perot), la cavidad FP se puede construir convenientemente mediante el plano de escisión natural perpendicular al plano de unión pn del cristal.

③Para formar una oscilación estable, el medio láser debe poder proporcionar suficiente ganancia para compensar la pérdida óptica causada por la cavidad resonante y la salida del láser desde la superficie de la cavidad, y aumentar constantemente el campo óptico en la cavidad. Esto requiere una inyección de corriente lo suficientemente fuerte, es decir, una inversión suficiente del número de partículas. Cuanto mayor sea el grado de inversión del número de partículas, mayor será la ganancia, es decir, se debe cumplir una determinada condición de umbral de corriente. Cuando el láser alcanza el umbral, la luz con una longitud de onda específica puede resonar en la cavidad y amplificarse, y finalmente formar un láser y salir continuamente. Se puede ver que la transición dipolar de electrón y hueco es el proceso básico de emisión de luz y amplificación de luz en los láseres semiconductores. Para el nuevo láser semiconductor, generalmente se acepta que el pozo cuántico es la fuerza motriz fundamental para el desarrollo de los láseres. La cuestión de si los cables y puntos cuánticos pueden aprovechar al máximo los efectos cuánticos se ha extendido hasta bien entrado este siglo. Los científicos han experimentado con estructuras autoorganizadas para crear puntos cuánticos en diversos materiales, y los puntos cuánticos GaInN se han utilizado en láseres semiconductores.

Transferencia a partⅡ entiende su historia y aplicación

Información del contacto:

Si tienes alguna idea, no dudes en hablar con nosotros. No importa dónde se encuentren nuestros clientes y cuáles sean nuestros requisitos, seguiremos nuestro objetivo de brindar a nuestros clientes alta calidad, precios bajos y el mejor servicio.