Arbetsprincipen och huvudtyperna avhalvledarlaser
HalvledareLaserdioder, med sin höga effektivitet, miniatyrisering och våglängdsdiversitet, används i stor utsträckning som kärnkomponenter i optoelektronisk teknik inom områden som kommunikation, sjukvård och industriell bearbetning. Denna artikel introducerar vidare arbetsprincipen och typerna av halvledarlasrar, vilket är bekvämt för urvalsreferensen för majoriteten av optoelektroniska forskare.
1. Ljusemitterande princip för halvledarlasrar
Luminiscensprincipen för halvledarlasrar är baserad på bandstrukturen, elektroniska övergångar och stimulerad emission hos halvledarmaterial. Halvledarmaterial är en typ av material med ett bandgap, vilket inkluderar ett valensband och ett ledningsband. När materialet är i grundtillstånd fyller elektroner valensbandet medan det inte finns några elektroner i ledningsbandet. När ett visst elektriskt fält appliceras externt eller en ström injiceras, kommer vissa elektroner att övergå från valensbandet till ledningsbandet och bilda elektron-hål-par. Under processen med energifrigöring, när dessa elektron-hål-par stimuleras av omvärlden, kommer fotoner, det vill säga lasrar, att genereras.
2. Exciteringsmetoder för halvledarlasrar
Det finns huvudsakligen tre excitationsmetoder för halvledarlasrar, nämligen elektrisk injektionstyp, optisk pumptyp och högenergisk elektronstråleexcitationstyp.
Elektriskt injicerade halvledarlasrar: Generellt sett är de halvledardioder med ytövergångar tillverkade av material som galliumarsenid (GaAs), kadmiumsulfid (CdS), indiumfosfid (InP) och zinksulfid (ZnS). De exciteras genom att injicera ström längs den framåtriktade förspänningen, vilket genererar stimulerad emission i övergångsplansområdet.
Optiskt pumpade halvledarlasrar: Generellt används halvledarkristaller av N-typ eller P-typ (såsom GaAS, InAs, InSb, etc.) som arbetssubstans, ochlasersom emitteras av andra lasrar används som optiskt pumpad excitation.
Högenergiska elektronstråleexciterade halvledarlasrar: Generellt använder de även N-typ eller P-typ halvledarkristaller (såsom PbS, CdS, ZhO, etc.) som arbetssubstans och exciteras genom att injicera en högenergisk elektronstråle utifrån. Bland halvledarlaseranordningar är den med bättre prestanda och bredare tillämpning den elektriskt injicerade GaAs-diodlasern med en dubbel heterostruktur.
3. De viktigaste typerna av halvledarlasrar
Det aktiva området hos en halvledarlaser är kärnområdet för fotongenerering och -förstärkning, och dess tjocklek är bara några få mikrometer. Interna vågledarstrukturer används för att begränsa fotonernas laterala diffusion och öka energitätheten (såsom åsvågledare och nedgrävda heteroövergångar). Lasern använder en kylflänsdesign och väljer material med hög värmeledningsförmåga (såsom koppar-volframlegering) för snabb värmeavledning, vilket kan förhindra våglängdsdrift orsakad av överhettning. Beroende på deras struktur och tillämpningsscenarier kan halvledarlasrar klassificeras i följande fyra kategorier:
Kantemitterande laser (EEL)
Lasern matas ut från klyvningsytan på sidan av chipet och bildar en elliptisk fläck (med en divergensvinkel på cirka 30° × 10°). Typiska våglängder inkluderar 808 nm (för pumpning), 980 nm (för kommunikation) och 1550 nm (för fiberkommunikation). Den används ofta inom högpresterande industriell skärning, fiberlaserpumpningskällor och optiska kommunikationsnätverk.
2. Vertikal kavitets-yt-emitterande laser (VCSEL)
Lasern avges vinkelrätt mot chipets yta, med en cirkulär och symmetrisk stråle (divergensvinkel <15°). Den integrerar en distribuerad Bragg-reflektor (DBR), vilket eliminerar behovet av en extern reflektor. Den används ofta inom 3D-avkänning (såsom ansiktsigenkänning på mobiltelefoner), optisk kommunikation med korta avstånd (datacenter) och LiDAR.
3. Kvantkaskadlaser (QCL)
Baserat på kaskadövergången av elektroner mellan kvantbrunnar täcker våglängden det mellersta till fjärrinfraröda området (3–30 μm), utan behov av populationsinversion. Fotoner genereras genom övergångar mellan delband och används ofta i tillämpningar som gasavkänning (såsom CO₂-detektion), terahertz-avbildning och miljöövervakning.
Den avstämbara laserns externa kavitetsdesign (gitter/prisma/MEMS-spegel) kan uppnå ett våglängdsavstämningsområde på ±50 nm, med en smal linjebredd (<100 kHz) och ett högt sidolägesavstötningsförhållande (>50 dB). Den används ofta i tillämpningar som tät våglängdsmultiplexering (DWDM) kommunikation, spektralanalys och biomedicinsk avbildning. Halvledarlasrar används ofta i kommunikationslaserenheter, digitala laserlagringsenheter, laserbearbetningsutrustning, lasermärknings- och förpackningsutrustning, lasersättning och tryckning, medicinsk laserutrustning, laseravstånds- och kollimeringsdetekteringsinstrument, laserinstrument och utrustning för underhållning och utbildning, laserkomponenter och delar, etc. De tillhör kärnkomponenterna i laserindustrin. På grund av dess breda användningsområde finns det många märken och tillverkare av lasrar. När man gör ett val bör det baseras på specifika behov och tillämpningsområden. Olika tillverkare har olika tillämpningar inom olika områden, och valet av tillverkare och lasrar bör göras i enlighet med projektets faktiska tillämpningsområde.
Publiceringstid: 5 november 2025