Pengetahuan Profesional

Apakah laser semikonduktor?

2022-01-13
Sejak penciptaan laser semikonduktor pertama di dunia pada tahun 1962, laser semikonduktor telah mengalami perubahan yang besar, sangat menggalakkan pembangunan sains dan teknologi lain, dan dianggap sebagai salah satu ciptaan manusia yang paling hebat pada abad kedua puluh. Dalam sepuluh tahun yang lalu, laser semikonduktor telah berkembang dengan lebih pesat dan telah menjadi teknologi laser yang paling pesat berkembang di dunia. Rangkaian aplikasi laser semikonduktor meliputi seluruh bidang optoelektronik dan telah menjadi teknologi teras sains optoelektronik hari ini. Disebabkan kelebihan saiz kecil, struktur ringkas, tenaga input rendah, hayat panjang, modulasi mudah dan harga rendah, laser semikonduktor digunakan secara meluas dalam bidang optoelektronik dan telah dinilai tinggi oleh negara-negara di seluruh dunia.

laser semikonduktor
A laser semikonduktorialah laser miniatur yang menggunakan simpang Pn atau simpang Pin yang terdiri daripada bahan semikonduktor jurang jalur terus sebagai bahan kerja. Terdapat berpuluh-puluh bahan kerja laser semikonduktor. Bahan semikonduktor yang telah dijadikan laser termasuk galium arsenide, indium arsenide, indium antimonide, kadmium sulfida, kadmium telluride, plumbum selenide, plumbum telurida, aluminium galium arsenide, indium Phosphorus, Arsenik, dll. Terdapat tiga kaedah pengujaan utama semikonduktor laser, iaitu jenis suntikan elektrik, jenis pam optik dan jenis pengujaan rasuk elektron bertenaga tinggi. Kaedah pengujaan kebanyakan laser semikonduktor ialah suntikan elektrik, iaitu, voltan ke hadapan digunakan pada simpang Pn untuk menjana pelepasan rangsangan di kawasan satah simpang, iaitu, diod pincang ke hadapan. Oleh itu, laser semikonduktor juga dipanggil diod laser semikonduktor. Untuk semikonduktor, memandangkan peralihan elektron antara jalur tenaga dan bukannya tahap tenaga diskret, tenaga peralihan bukanlah nilai yang pasti, yang menjadikan panjang gelombang keluaran laser semikonduktor tersebar dalam julat yang luas. pada julat. Panjang gelombang yang dipancarkan adalah antara 0.3 dan 34 μm. Julat panjang gelombang ditentukan oleh jurang jalur tenaga bahan yang digunakan. Yang paling biasa ialah laser heterojunction berganda AlGaAs, yang mempunyai panjang gelombang keluaran 750-890 nm.
Teknologi fabrikasi laser semikonduktor telah berpengalaman daripada kaedah resapan kepada epitaksi fasa cecair (LPE), epitaksi fasa wap (VPE), epitaksi rasuk molekul (MBE), kaedah MOCVD (pemendapan wap sebatian organik logam), epitaksi rasuk kimia (CBE)) dan pelbagai kombinasi mereka. Kelemahan terbesar laser semikonduktor ialah prestasi laser sangat dipengaruhi oleh suhu, dan sudut perbezaan rasuk adalah besar (biasanya antara beberapa darjah dan 20 darjah), jadi ia adalah lemah dalam kejuruteraan, monokromatik dan koheren. Walau bagaimanapun, dengan perkembangan pesat sains dan teknologi, penyelidikan laser semikonduktor semakin maju ke arah kedalaman, dan prestasi laser semikonduktor sentiasa bertambah baik. Teknologi optoelektronik semikonduktor dengan laser semikonduktor sebagai teras akan membuat kemajuan yang lebih besar dan memainkan peranan yang lebih besar dalam masyarakat maklumat abad ke-21.

Bagaimana laser semikonduktor berfungsi?
A laser semikonduktoradalah sumber sinaran yang koheren. Untuk menjadikannya menghasilkan cahaya laser, tiga syarat asas mesti dipenuhi:
1. Keadaan keuntungan: Taburan penyongsangan pembawa dalam medium pengelasan (rantau aktif) diwujudkan. Dalam semikonduktor, jalur tenaga yang mewakili tenaga elektron terdiri daripada satu siri tahap tenaga yang hampir dengan berterusan. Oleh itu, dalam semikonduktor Untuk mencapai penyongsangan populasi, bilangan elektron di bahagian bawah jalur pengaliran keadaan tenaga tinggi mestilah lebih besar daripada bilangan lubang di bahagian atas jalur valens tenaga rendah. keadaan antara dua kawasan jalur tenaga. Heterojunction dipincang ke hadapan untuk menyuntik pembawa yang diperlukan ke dalam lapisan aktif untuk merangsang elektron daripada jalur valens dengan tenaga yang lebih rendah kepada jalur pengaliran dengan tenaga yang lebih tinggi. Pelepasan terrangsang berlaku apabila sejumlah besar elektron dalam keadaan penyongsangan populasi bergabung semula dengan lubang.
2. Untuk benar-benar mendapatkan sinaran rangsangan yang koheren, sinaran yang dirangsang mesti disalurkan semula beberapa kali dalam resonator optik untuk membentuk ayunan laser. Resonator laser dibentuk oleh permukaan belahan semula jadi kristal semikonduktor sebagai cermin, biasanya pada akhir yang tidak mengeluarkan cahaya disalut dengan filem dielektrik multilayer pantulan tinggi, dan permukaan pemancar cahaya disalut dengan anti- filem refleksi. Untuk laser semikonduktor rongga F-p (rongga Fabry-Perot), rongga F-p boleh dibentuk dengan mudah dengan menggunakan satah belahan semula jadi hablur yang berserenjang dengan satah simpang p-n.
3. Untuk membentuk ayunan yang stabil, medium laser mesti dapat memberikan keuntungan yang cukup besar untuk mengimbangi kehilangan optik yang disebabkan oleh resonator dan kehilangan yang disebabkan oleh output laser dari permukaan rongga, dsb., dan secara berterusan meningkatkan medan optik dalam rongga. Ini memerlukan suntikan arus yang cukup kuat, iaitu, terdapat penyongsangan populasi yang mencukupi, semakin tinggi tahap penyongsangan populasi, semakin besar keuntungan yang diperolehi, iaitu keadaan ambang semasa tertentu mesti dipenuhi. Apabila laser mencapai ambang, cahaya dengan panjang gelombang tertentu boleh bergema di dalam rongga dan dikuatkan, dan akhirnya membentuk laser dan output secara berterusan. Dapat dilihat bahawa dalam laser semikonduktor, peralihan dipol elektron dan lubang adalah proses asas pelepasan cahaya dan penguatan cahaya. Untuk laser semikonduktor baharu, pada masa ini diakui bahawa telaga kuantum adalah daya penggerak asas untuk pembangunan laser semikonduktor. Sama ada wayar kuantum dan titik kuantum boleh memanfaatkan sepenuhnya kesan kuantum telah diperluaskan ke abad ini. Para saintis telah cuba menggunakan struktur tersusun sendiri untuk membuat titik kuantum dalam pelbagai bahan, dan titik kuantum GaInN telah digunakan dalam laser semikonduktor.

Sejarah Pembangunan Laser Semikonduktor
Thelaser semikonduktorpada awal 1960-an ialah laser homojunction, yang merupakan diod simpang pn yang direka pada satu bahan. Di bawah suntikan arus besar ke hadapan, elektron disuntik secara berterusan ke kawasan p, dan lubang disuntik secara berterusan ke kawasan n. Oleh itu, penyongsangan pengagihan pembawa direalisasikan di kawasan penyusutan simpang pn asal. Oleh kerana kelajuan penghijrahan elektron lebih cepat daripada lubang, sinaran dan penggabungan semula berlaku di kawasan aktif, dan pendarfluor dipancarkan. pengelasan, laser semikonduktor yang hanya boleh berfungsi dalam denyutan. Peringkat kedua pembangunan laser semikonduktor ialah laser semikonduktor heterostruktur, yang terdiri daripada dua lapisan nipis bahan semikonduktor dengan jurang jalur yang berbeza, seperti GaAs dan GaAlAs, dan laser heterostruktur tunggal pertama kali muncul (1969). Laser suntikan heterojunction tunggal (SHLD) berada dalam kawasan p persimpangan GaAsP-N untuk mengurangkan ketumpatan arus ambang, yang merupakan susunan magnitud yang lebih rendah daripada laser homojunction, tetapi laser heterojunction tunggal masih tidak dapat berfungsi secara berterusan pada suhu bilik.
Sejak akhir 1970-an, laser semikonduktor jelas telah berkembang dalam dua arah, satu adalah laser berasaskan maklumat untuk tujuan penghantaran maklumat, dan satu lagi adalah laser berasaskan kuasa untuk tujuan meningkatkan kuasa optik. Didorong oleh aplikasi seperti laser keadaan pepejal yang dipam, laser semikonduktor berkuasa tinggi (kuasa keluaran berterusan lebih daripada 100mw dan kuasa output nadi lebih daripada 5W boleh dipanggil laser semikonduktor berkuasa tinggi).
Pada tahun 1990-an, satu kejayaan telah dibuat, yang ditandai dengan peningkatan ketara dalam kuasa keluaran laser semikonduktor, pengkomersilan laser semikonduktor berkuasa tinggi pada tahap kilowatt di luar negara, dan output peranti sampel domestik mencapai 600W. Dari perspektif pengembangan jalur laser, laser semikonduktor inframerah pertama, diikuti oleh laser semikonduktor merah 670nm, digunakan secara meluas. Kemudian, dengan kemunculan panjang gelombang 650nm dan 635nm, laser semikonduktor biru-hijau dan cahaya biru juga berjaya dibangunkan satu demi satu. Laser semikonduktor ungu dan juga ultraungu dengan urutan 10mW juga sedang dibangunkan. Laser pemancar permukaan dan laser pemancar permukaan rongga menegak telah berkembang pesat pada akhir 1990-an, dan pelbagai aplikasi dalam optoelektronik super selari telah dipertimbangkan. Peranti 980nm, 850nm dan 780nm sudah praktikal dalam sistem optik. Pada masa ini, laser pemancar permukaan rongga menegak telah digunakan dalam rangkaian berkelajuan tinggi Gigabit Ethernet.

Aplikasi laser semikonduktor
Laser semikonduktor ialah kelas laser yang matang lebih awal dan berkembang lebih cepat. Oleh kerana julat panjang gelombangnya yang luas, pengeluaran ringkas, kos rendah, dan pengeluaran besar-besaran yang mudah, dan kerana saiznya yang kecil, ringan dan hayatnya yang panjang, ia mempunyai perkembangan pesat dalam jenis dan aplikasi. Pelbagai jenis, kini lebih daripada 300 spesies.

1. Aplikasi dalam industri dan teknologi
1) Komunikasi gentian optik.Laser semikonduktoradalah satu-satunya sumber cahaya praktikal untuk sistem komunikasi gentian optik, dan komunikasi gentian optik telah menjadi arus perdana teknologi komunikasi kontemporari.
2) Akses cakera. Laser semikonduktor telah digunakan dalam memori cakera optik, dan kelebihan terbesarnya ialah ia menyimpan sejumlah besar maklumat bunyi, teks dan imej. Penggunaan laser biru dan hijau boleh meningkatkan ketumpatan penyimpanan cakera optik.
3) Analisis spektrum. Laser semikonduktor boleh tala inframerah jauh telah digunakan dalam analisis gas ambien, memantau pencemaran udara, ekzos kereta, dll. Ia boleh digunakan dalam industri untuk memantau proses pemendapan wap.
4) Pemprosesan maklumat optik. Laser semikonduktor telah digunakan dalam sistem maklumat optik. Tatasusunan dua dimensi laser semikonduktor pemancar permukaan adalah sumber cahaya yang ideal untuk sistem pemprosesan selari optik, yang akan digunakan dalam komputer dan rangkaian saraf optik.
5) Mikrofabrikasi laser. Dengan bantuan denyutan cahaya ultra-pendek bertenaga tinggi yang dihasilkan oleh laser semikonduktor suis Q, litar bersepadu boleh dipotong, ditebuk, dsb.
6) Penggera laser. Penggera laser semikonduktor digunakan secara meluas, termasuk penggera pencuri, penggera paras air, penggera jarak kenderaan, dsb.
7) Pencetak laser. Laser semikonduktor berkuasa tinggi telah digunakan dalam pencetak laser. Menggunakan laser biru dan hijau boleh meningkatkan kelajuan dan resolusi pencetakan.
8) Pengimbas kod bar laser. Pengimbas kod bar laser semikonduktor telah digunakan secara meluas dalam penjualan barangan, dan pengurusan buku dan arkib.
9) Pam laser keadaan pepejal. Ini adalah aplikasi penting laser semikonduktor berkuasa tinggi. Menggunakannya untuk menggantikan lampu suasana asal boleh membentuk sistem laser keadaan pepejal.
10) TV Laser Definisi Tinggi. Dalam masa terdekat, TV laser semikonduktor tanpa tiub sinar katod, yang menggunakan laser merah, biru dan hijau, dianggarkan menggunakan kuasa 20 peratus kurang daripada TV sedia ada.

2. Aplikasi dalam penyelidikan perubatan dan sains hayat
1) Pembedahan laser.Laser semikonduktortelah digunakan untuk ablasi tisu lembut, ikatan tisu, pembekuan dan pengewapan. Teknik ini digunakan secara meluas dalam pembedahan am, pembedahan plastik, dermatologi, urologi, obstetrik dan ginekologi, dsb.
2) Terapi dinamik laser. Bahan fotosensitif yang mempunyai pertalian untuk tumor terkumpul secara terpilih dalam tisu kanser, dan tisu kanser disinari dengan laser semikonduktor untuk menjana spesies oksigen reaktif, bertujuan untuk menjadikannya nekrotik tanpa merosakkan tisu yang sihat.
3) Penyelidikan sains hayat. Menggunakan "pinset optik" daripadalaser semikonduktor, adalah mungkin untuk menangkap sel hidup atau kromosom dan mengalihkannya ke mana-mana kedudukan. Ia telah digunakan untuk menggalakkan sintesis sel dan kajian interaksi sel, dan juga boleh digunakan sebagai teknologi diagnostik untuk pengumpulan bukti forensik.