Prinsip kerja dan jenis utamalaser semikonduktor
SemikonduktorDiod laser, dengan kecekapan tinggi, pengecilan dan kepelbagaian panjang gelombang, digunakan secara meluas sebagai komponen teras teknologi optoelektronik dalam bidang seperti komunikasi, penjagaan perubatan dan pemprosesan industri. Artikel ini memperkenalkan lagi prinsip kerja dan jenis laser semikonduktor, yang sesuai untuk rujukan pemilihan majoriti penyelidik optoelektronik.
1. Prinsip pemancar cahaya laser semikonduktor
Prinsip luminescence laser semikonduktor adalah berdasarkan struktur jalur, peralihan elektronik dan pelepasan bahan semikonduktor yang dirangsang. Bahan semikonduktor ialah sejenis bahan dengan celah jalur, yang merangkumi jalur valens dan jalur pengaliran. Apabila bahan berada dalam keadaan dasar, elektron mengisi jalur valens manakala tiada elektron dalam jalur konduksi. Apabila medan elektrik tertentu dikenakan secara luaran atau arus disuntik, beberapa elektron akan beralih dari jalur valens ke jalur pengaliran, membentuk pasangan lubang elektron. Semasa proses pembebasan tenaga, apabila pasangan lubang elektron ini dirangsang oleh dunia luar, foton, iaitu laser, akan dihasilkan.
2. Kaedah pengujaan laser semikonduktor
Terdapat terutamanya tiga kaedah pengujaan untuk laser semikonduktor, iaitu jenis suntikan elektrik, jenis pam optik dan jenis pengujaan rasuk elektron bertenaga tinggi.
Laser semikonduktor yang disuntik secara elektrik: Secara amnya, ia adalah diod simpang permukaan semikonduktor yang diperbuat daripada bahan seperti galium arsenide (GaAs), kadmium sulfida (CdS), indium fosfida (InP), dan zink sulfida (ZnS). Mereka teruja dengan menyuntik arus di sepanjang pincang ke hadapan, menjana pelepasan rangsangan di kawasan satah simpang.
Laser semikonduktor yang dipam secara optik: Secara amnya, kristal tunggal semikonduktor jenis N atau P (seperti GaAS,InAs,InSb, dll.) digunakan sebagai bahan kerja, danlaseryang dipancarkan oleh laser lain digunakan sebagai pengujaan yang dipam secara optik.
Laser semikonduktor bersemangat rasuk elektron bertenaga tinggi: Secara amnya, mereka juga menggunakan kristal tunggal semikonduktor jenis N atau P (seperti PbS,CdS,ZhO, dll.) sebagai bahan kerja dan teruja dengan menyuntik pancaran elektron bertenaga tinggi dari luar. Antara peranti laser semikonduktor, yang mempunyai prestasi yang lebih baik dan aplikasi yang lebih luas ialah laser diod GaAs yang disuntik secara elektrik dengan heterostruktur berganda.
3. Jenis utama laser semikonduktor
Wilayah Aktif laser semikonduktor ialah kawasan teras untuk penjanaan dan penguatan foton, dan ketebalannya hanya beberapa mikrometer. Struktur pandu gelombang dalaman digunakan untuk menyekat resapan sisi foton dan meningkatkan ketumpatan tenaga (seperti pandu gelombang rabung dan heterojunctions terkubur). Laser menggunakan reka bentuk sink haba dan memilih bahan kekonduksian terma yang tinggi (seperti aloi tembaga-tungsten) untuk pelesapan haba yang cepat, yang boleh menghalang hanyutan panjang gelombang yang disebabkan oleh terlalu panas. Mengikut struktur dan senario aplikasinya, laser semikonduktor boleh dikelaskan kepada empat kategori berikut:
Laser Pemancar Tepi (EEL)
Laser dikeluarkan daripada permukaan belahan pada sisi cip, membentuk bintik elips (dengan Sudut perbezaan lebih kurang 30°×10°). Panjang gelombang biasa termasuk 808nm (untuk mengepam), 980 nm (untuk komunikasi), dan 1550 nm (untuk komunikasi gentian). Ia digunakan secara meluas dalam pemotongan industri berkuasa tinggi, sumber pengepaman laser gentian, dan rangkaian tulang belakang komunikasi optik.
2. Laser Pemancar Permukaan Rongga Menegak (VCSEL)
Laser dipancarkan secara berserenjang dengan permukaan cip, dengan pancaran bulat dan simetri (Sudut perbezaan <15°). Ia menyepadukan reflektor Bragg yang diedarkan (DBR), menghapuskan keperluan untuk pemantul luaran. Ia digunakan secara meluas dalam penderiaan 3D (seperti pengecaman muka telefon mudah alih), komunikasi optik jarak dekat (pusat data) dan LiDAR.
3. Quantum Cascade Laser (QCL)
Berdasarkan peralihan lata elektron antara Telaga kuantum, panjang gelombang meliputi julat inframerah pertengahan hingga jauh (3-30 μm), tanpa memerlukan penyongsangan populasi. Foton dijana melalui peralihan antara subband dan biasanya digunakan dalam aplikasi seperti penderiaan gas (seperti pengesanan CO₂), pengimejan terahertz dan pemantauan alam sekitar.
Reka bentuk rongga luar laser boleh tala (cermin kisi/prisma/MEMS) boleh mencapai julat penalaan panjang gelombang ±50 nm, dengan lebar talian sempit (<100 kHz) dan nisbah penolakan mod sisi yang tinggi (>50 dB). Ia biasanya digunakan dalam aplikasi seperti komunikasi pemultipleksan pembahagian panjang gelombang padat (DWDM), analisis spektrum, dan pengimejan bioperubatan. Laser semikonduktor digunakan secara meluas dalam peranti laser komunikasi, peranti storan laser digital, peralatan pemprosesan laser, penandaan laser dan peralatan pembungkusan, penataan dan pencetakan laser, peralatan perubatan laser, jarak laser dan instrumen pengesanan kolimasi, instrumen dan peralatan laser untuk hiburan dan pendidikan, komponen dan bahagian laser, dan lain-lain. Ia tergolong dalam komponen teras industri laser. Oleh kerana pelbagai aplikasinya, terdapat banyak jenama dan pengeluar laser. Apabila membuat pilihan, ia harus berdasarkan keperluan khusus dan bidang aplikasi. Pengeluar yang berbeza mempunyai aplikasi yang berbeza dalam pelbagai bidang, dan pemilihan pengeluar dan laser harus dibuat mengikut bidang aplikasi sebenar projek.
Masa siaran: Nov-05-2025