Prinsip kerja dan jenis utamalaser semikonduktor
SemikonduktorDiod laser, dengan kecekapan tinggi, pengecilan saiz dan kepelbagaian panjang gelombangnya, digunakan secara meluas sebagai komponen teras teknologi optoelektronik dalam bidang seperti komunikasi, penjagaan perubatan dan pemprosesan perindustrian. Artikel ini memperkenalkan lagi prinsip kerja dan jenis laser semikonduktor, yang mudah untuk rujukan pemilihan majoriti penyelidik optoelektronik.
1. Prinsip pemancaran cahaya laser semikonduktor
Prinsip luminesen laser semikonduktor adalah berdasarkan struktur jalur, peralihan elektronik dan pancaran rangsangan bahan semikonduktor. Bahan semikonduktor adalah sejenis bahan dengan jurang jalur, yang merangkumi jalur valens dan jalur konduksi. Apabila bahan berada dalam keadaan dasar, elektron mengisi jalur valens sementara tiada elektron dalam jalur konduksi. Apabila medan elektrik tertentu dikenakan secara luaran atau arus disuntik, beberapa elektron akan beralih dari jalur valens ke jalur konduksi, membentuk pasangan elektron-lubang. Semasa proses pembebasan tenaga, apabila pasangan elektron-lubang ini dirangsang oleh dunia luar, foton, iaitu laser, akan dijana.
2. Kaedah pengujaan laser semikonduktor
Terdapat tiga kaedah pengujaan utama untuk laser semikonduktor, iaitu jenis suntikan elektrik, jenis pam optik dan jenis pengujaan pancaran elektron bertenaga tinggi.
Laser semikonduktor yang disuntik elektrik: Secara amnya, ia adalah diod simpang permukaan semikonduktor yang diperbuat daripada bahan seperti galium arsenida (GaAs), kadmium sulfida (CdS), indium fosfida (InP), dan zink sulfida (ZnS). Ia teruja dengan menyuntik arus sepanjang bias ke hadapan, menghasilkan pancaran yang dirangsang di kawasan satah simpang.
Laser semikonduktor yang dipam secara optik: Secara amnya, hablur tunggal semikonduktor jenis-N atau jenis-P (seperti GaAS, InAs, InSb, dll.) digunakan sebagai bahan kerja, danlaseryang dipancarkan oleh laser lain digunakan sebagai pengujaan yang dipam secara optik.
Laser semikonduktor terangsang pancaran elektron bertenaga tinggi: Secara amnya, ia juga menggunakan hablur tunggal semikonduktor jenis-N atau jenis-P (seperti PbS, CdS, ZhO, dll.) sebagai bahan kerja dan terangsang 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-jenis utama laser semikonduktor
Kawasan Aktif laser semikonduktor ialah kawasan teras untuk penjanaan dan penguatan foton, dan ketebalannya hanya beberapa mikrometer. Struktur pandu gelombang dalaman digunakan untuk menyekat resapan lateral foton dan meningkatkan ketumpatan tenaga (seperti pandu gelombang rabung dan heterosimpang tertimbus). Laser ini menggunakan reka bentuk sink haba dan memilih bahan kekonduksian terma yang tinggi (seperti aloi kuprum-tungsten) untuk pelesapan haba yang cepat, yang boleh mencegah 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 dari permukaan belahan di sisi cip, membentuk titik elips (dengan Sudut pencapahan kira-kira 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 serenjang ke permukaan cip, dengan pancaran bulat dan simetri (Sudut divergensi <15°). Ia mengintegrasikan pemantul Bragg teragih (DBR), menghapuskan keperluan untuk pemantul luaran. Ia digunakan secara meluas dalam pengesanan 3D (seperti pengecaman wajah telefon bimbit), komunikasi optik jarak dekat (pusat data), dan LiDAR.
3. Laser Lata Kuantum (QCL)
Berdasarkan peralihan lata elektron antara Telaga kuantum, panjang gelombang meliputi julat inframerah pertengahan hingga inframerah jauh (3-30 μm), tanpa memerlukan penyongsangan populasi. Foton dijana melalui peralihan antara subjalur dan biasanya digunakan dalam aplikasi seperti pengesanan gas (seperti pengesanan CO₂), pengimejan terahertz dan pemantauan alam sekitar.
Reka bentuk rongga luaran laser boleh tala (keriting/prisma/cermin MEMS) boleh mencapai julat penalaan panjang gelombang ±50 nm, dengan lebar garis yang 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, peralatan penandaan dan pembungkusan laser, penetapan dan percetakan laser, peralatan perubatan laser, instrumen pengesanan jarak dan kolimasi laser, instrumen dan peralatan laser untuk hiburan dan pendidikan, komponen dan bahagian laser, dsb. Ia tergolong dalam komponen teras industri laser. Disebabkan oleh pelbagai aplikasinya, terdapat banyak jenama dan pengeluar laser. Apabila membuat pilihan, ia harus berdasarkan keperluan khusus dan bidang aplikasi. Pengilang yang berbeza mempunyai aplikasi yang berbeza dalam pelbagai bidang, dan pemilihan pengeluar dan laser harus dibuat mengikut bidang aplikasi sebenar projek.
Masa siaran: 05-Nov-2025