A működési elv és a főbb típusokfélvezető lézer
FélvezetőLézerdiódáknagy hatékonyságuknak, miniatürizálásuknak és hullámhossz-diverzitásuknak köszönhetően széles körben használják az optoelektronikai technológia alapvető alkotóelemeiként olyan területeken, mint a kommunikáció, az egészségügy és az ipari feldolgozás. Ez a cikk bemutatja a félvezető lézerek működési elvét és típusait, ami a legtöbb optoelektronikai kutató számára kényelmes választási referenciaként szolgálhat.
1. A félvezető lézerek fénykibocsátási elve
A félvezető lézerek lumineszcencia-elve a félvezető anyagok sávszerkezetén, elektronátmenetein és indukált emisszióján alapul. A félvezető anyagok olyan anyagtípusok, amelyek tiltott sávval rendelkeznek, amely magában foglal egy vegyértéksávot és egy vezetési sávot. Amikor az anyag alapállapotban van, az elektronok kitöltik a vegyértéksávot, míg a vezetési sávban nincsenek elektronok. Amikor egy bizonyos elektromos mezőt kívülről alkalmazunk, vagy áramot fecskendezünk be, egyes elektronok átmennek a vegyértéksávból a vezetési sávba, elektron-lyuk párokat képezve. Az energiafelszabadulás során, amikor ezeket az elektron-lyuk párokat a külvilág gerjeszti, fotonok, azaz lézerek keletkeznek.
2. Félvezető lézerek gerjesztési módszerei
A félvezető lézereknek főként három gerjesztési módszere van, nevezetesen elektromos befecskendezéses, optikai pumpálásos és nagy energiájú elektronnyalábos gerjesztéses.
Elektromos befecskendezéses félvezető lézerek: Általában félvezető felületi átmenetes diódák, amelyek olyan anyagokból készülnek, mint a gallium-arzenid (GaAs), kadmium-szulfid (CdS), indium-foszfid (InP) és cink-szulfid (ZnS). Gerjesztésük az előfeszítő áram mentén történő árambefecskendezéssel történik, ami indukált emissziót generál a csatlakozási sík régiójában.
Optikailag pumpált félvezető lézerek: Munkaközegként általában N-típusú vagy P-típusú félvezető egykristályokat (például GaAS, InAs, InSb stb.) használnak, és alézermás lézerek által kibocsátott energiát optikailag pumpált gerjesztésként használják.
Nagy energiájú elektronnyalábbal gerjesztett félvezető lézerek: Általában ezek is N-típusú vagy P-típusú félvezető egykristályokat (például PbS, CdS, ZhO stb.) használnak munkaközegként, és kívülről befecskendezett nagy energiájú elektronnyalábbal gerjesztik őket. A félvezető lézereszközök közül a jobb teljesítményű és szélesebb körű alkalmazási lehetőséggel rendelkező az elektromosan injektált GaAs diódalézer kettős heterostruktúrával.
3. A félvezető lézerek fő típusai
A félvezető lézer aktív régiója a fotonok keletkezésének és erősítésének központi területe, vastagsága mindössze néhány mikrométer. Belső hullámvezető szerkezeteket alkalmaznak a fotonok laterális diffúziójának korlátozására és az energiasűrűség növelésére (például gerinchullámvezetők és eltemetett heteroátmenetek). A lézer hűtőborda kialakítású, és nagy hővezető képességű anyagokat (például réz-volfrám ötvözetet) választ a gyors hőelvezetés érdekében, ami megakadályozhatja a túlmelegedés okozta hullámhossz-eltolódást. Szerkezetük és alkalmazási területük szerint a félvezető lézerek a következő négy kategóriába sorolhatók:
Élsugárzó lézer (EEL)
A lézer a chip oldalán található hasítófelületről indul ki, ellipszis foltot képezve (körülbelül 30°×10° divergenciaszöggel). A tipikus hullámhosszak közé tartozik a 808 nm (pumpáláshoz), 980 nm (kommunikációhoz) és 1550 nm (száloptikás kommunikációhoz). Széles körben használják nagy teljesítményű ipari vágásban, száloptikás lézeres pumpáló forrásokban és optikai kommunikációs gerinchálózatokban.
2. Függőleges üreges felületkibocsátó lézer (VCSEL)
A lézer a chip felületére merőlegesen, kör alakú és szimmetrikus sugárban bocsát ki (divergencia szög <15°). Egy elosztott Bragg-reflektort (DBR) tartalmaz, így nincs szükség külső reflektorra. Széles körben használják 3D-s érzékelésben (például mobiltelefon-arcfelismerésben), rövid hatótávolságú optikai kommunikációban (adatközpontok) és LiDAR-ban.
3. Kvantumkaszkádlézer (QCL)
Az elektronok kvantumkutak közötti kaszkádátmenete alapján a hullámhossz lefedi a közép- és távoli infravörös tartományt (3-30 μm), populációinverzió szükségessége nélkül. A fotonok a sávközi átmeneteken keresztül keletkeznek, és gyakran használják olyan alkalmazásokban, mint a gázérzékelés (például a CO₂-detektálás), a terahertzes képalkotás és a környezeti monitorozás.
A hangolható lézer külső üregkialakítása (rácsos/prizmás/MEMS tükör) ±50 nm hullámhossz-hangolási tartományt érhet el, keskeny vonalszélességgel (<100 kHz) és magas oldalmódus-elnyomási aránnyal (>50 dB). Gyakran használják olyan alkalmazásokban, mint a sűrű hullámhossz-osztásos multiplexelés (DWDM) kommunikáció, a spektrális analízis és a biomedicinális képalkotás. A félvezető lézereket széles körben használják kommunikációs lézereszközökben, digitális lézertároló eszközökben, lézerfeldolgozó berendezésekben, lézeres jelölő- és csomagolóberendezésekben, lézeres szedésben és nyomtatásban, lézeres orvosi berendezésekben, lézeres távolság- és kollimációs érzékelő műszerekben, szórakoztató és oktatási lézereszközökben és -berendezésekben, lézeralkatrészekben és -alkatrészekben stb. A lézeripar központi elemei közé tartoznak. Széleskörű alkalmazási körének köszönhetően számos lézermárka és -gyártó létezik. A választás során a konkrét igényeket és az alkalmazási területeket kell figyelembe venni. A különböző gyártók különböző alkalmazásokkal rendelkeznek különböző területeken, és a gyártók és a lézerek kiválasztását a projekt tényleges alkalmazási területe szerint kell elvégezni.
Közzététel ideje: 2025. november 5.