O que é o laser semicondutor?

Desde a invenção do primeiro laser semicondutor do mundo em 1962, o laser semicondutor passou por grandes mudanças, promovendo grandemente o desenvolvimento de outras ciências e tecnologias, e é considerado uma das maiores invenções humanas do século XX. Nos últimos dez anos, os lasers semicondutores se desenvolveram mais rapidamente e se tornaram a tecnologia de laser que mais cresce no mundo. A faixa de aplicação dos lasers semicondutores abrange todo o campo da optoeletrônica e se tornou a tecnologia central da ciência optoeletrônica atual. Devido às vantagens de tamanho pequeno, estrutura simples, baixa energia de entrada, longa vida útil, fácil modulação e baixo preço, os lasers semicondutores são amplamente utilizados no campo da optoeletrônica e têm sido altamente valorizados por países de todo o mundo.

laser semicondutor
A laser semicondutoré um laser miniaturizado que usa uma junção Pn ou junção Pin composta por um material semicondutor de banda direta como substância de trabalho. Existem dezenas de materiais de trabalho de laser semicondutor. Os materiais semicondutores que foram transformados em lasers incluem arseneto de gálio, arseneto de índio, antimoneto de índio, sulfeto de cádmio, telureto de cádmio, seleneto de chumbo, telureto de chumbo, arseneto de alumínio e gálio, fósforo de índio, arsênico, etc. Existem três métodos principais de excitação de semicondutores lasers, nomeadamente tipo injecção eléctrica, tipo bomba óptica e tipo excitação por feixe de electrões de alta energia. O método de excitação da maioria dos lasers semicondutores é a injeção elétrica, ou seja, uma tensão direta é aplicada na junção Pn para gerar emissão estimulada na região do plano de junção, ou seja, um diodo diretamente polarizado. Portanto, os lasers semicondutores também são chamados de diodos laser semicondutores. Para semicondutores, como os elétrons transitam entre bandas de energia em vez de níveis discretos de energia, a energia de transição não é um valor definido, o que faz com que o comprimento de onda de saída dos lasers semicondutores se espalhe por uma ampla faixa. no intervalo. Os comprimentos de onda que emitem estão entre 0,3 e 34 µm. A faixa de comprimento de onda é determinada pelo intervalo de banda de energia do material usado. O mais comum é o laser de dupla heterojunção AlGaAs, que tem um comprimento de onda de saída de 750-890 nm.
A tecnologia de fabricação a laser de semicondutores experimentou desde o método de difusão até epitaxia de fase líquida (LPE), epitaxia de fase de vapor (VPE), epitaxia de feixe molecular (MBE), método MOCVD (deposição de vapor de composto orgânico metálico), epitaxia de feixe químico (CBE)) e várias combinações deles. A maior desvantagem dos lasers semicondutores é que o desempenho do laser é muito afetado pela temperatura e o ângulo de divergência do feixe é grande (geralmente entre alguns graus e 20 graus), por isso é pobre em diretividade, monocromaticidade e coerência. No entanto, com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia, a pesquisa de lasers semicondutores está avançando na direção da profundidade, e o desempenho dos lasers semicondutores está melhorando constantemente. A tecnologia optoeletrônica de semicondutores com laser semicondutor como núcleo fará mais progressos e desempenhará um papel maior na sociedade da informação do século XXI.

Como funcionam os lasers semicondutores?
A laser semicondutoré uma fonte de radiação coerente. Para fazê-lo gerar luz laser, três condições básicas devem ser atendidas:
1. Condição de ganho: A distribuição de inversão de portadores no meio laser (região ativa) é estabelecida. No semicondutor, a banda de energia que representa a energia do elétron é composta por uma série de níveis de energia próximos do contínuo. Portanto, no semicondutor Para alcançar a inversão de população, o número de elétrons na parte inferior da banda de condução do estado de alta energia deve ser muito maior do que o número de lacunas no topo da banda de valência do estado de baixa energia. estado entre as duas regiões da banda de energia. A heterojunção é polarizada diretamente para injetar os portadores necessários na camada ativa para excitar elétrons da banda de valência com energia mais baixa para a banda de condução com energia mais alta. A emissão estimulada ocorre quando um grande número de elétrons em um estado de inversão populacional se recombinam com lacunas.
2. Para realmente obter radiação estimulada coerente, a radiação estimulada deve ser realimentada várias vezes no ressonador óptico para formar a oscilação do laser. O ressonador laser é formado pela superfície de clivagem natural do cristal semicondutor como um espelho, geralmente em A extremidade que não emite luz é revestida com um filme dielétrico multicamada de alta reflexão, e a superfície emissora de luz é revestida com um anti- filme de reflexão. Para o laser semicondutor da cavidade F-p (cavidade de Fabry-Perot), a cavidade F-p pode ser facilmente formada usando o plano de clivagem natural do cristal perpendicular ao plano de junção p-n.
3. Para formar uma oscilação estável, o meio de laser deve ser capaz de fornecer um ganho suficientemente grande para compensar a perda óptica causada pelo ressonador e a perda causada pela saída do laser da superfície da cavidade, etc., e continuamente aumentar o campo óptico na cavidade. Isso requer uma injeção de corrente forte o suficiente, ou seja, há inversão de população suficiente, quanto maior o grau de inversão de população, maior o ganho obtido, ou seja, uma determinada condição de limite de corrente deve ser atendida. Quando o laser atinge o limiar, a luz com um comprimento de onda específico pode ressoar na cavidade e ser amplificada e, finalmente, formar um laser e emitir continuamente. Pode-se observar que em lasers semicondutores, a transição dipolar de elétrons e buracos é o processo básico de emissão e amplificação de luz. Para novos lasers semicondutores, atualmente é reconhecido que os poços quânticos são a força motriz fundamental para o desenvolvimento de lasers semicondutores. Se os fios quânticos e os pontos quânticos podem aproveitar ao máximo os efeitos quânticos, foi estendido até este século. Os cientistas tentaram usar estruturas auto-organizadas para fazer pontos quânticos em vários materiais, e os pontos quânticos GaInN foram usados ​​em lasers semicondutores.

História do Desenvolvimento de Lasers Semicondutores
Olasers semicondutoresdo início da década de 1960 foram os lasers de homojunção, que eram diodos de junção pn fabricados em um material. Sob a injeção direta de grande corrente, os elétrons são continuamente injetados na região p, e os buracos são continuamente injetados na região n. Portanto, a inversão da distribuição de portadores é realizada na região de depleção da junção pn original. Como a velocidade de migração dos elétrons é mais rápida que a dos buracos, a radiação e a recombinação ocorrem na região ativa, e a fluorescência é emitida. lasing, um laser semicondutor que só funciona em pulsos. A segunda etapa do desenvolvimento dos lasers semicondutores é o laser semicondutor de heteroestrutura, que é composto por duas camadas finas de materiais semicondutores com diferentes intervalos de banda, como GaAs e GaAlAs, e surgiu pela primeira vez o laser de heteroestrutura única (1969). O laser de injeção de heterojunção única (SHLD) está dentro da região p da junção GaAsP-N para reduzir a densidade de corrente de limiar, que é uma ordem de magnitude menor do que a do laser de homojunção, mas o laser de heterojunção única ainda não pode trabalhar contínuo em temperatura do quarto.
Desde o final da década de 1970, os lasers semicondutores obviamente se desenvolveram em duas direções, um é um laser baseado em informações com o objetivo de transmitir informações e o outro é um laser baseado em potência com o objetivo de aumentar a potência óptica. Impulsionado por aplicações como lasers de estado sólido bombeados, lasers semicondutores de alta potência (potência de saída contínua de mais de 100 mw e potência de saída de pulso de mais de 5 w podem ser chamados de lasers semicondutores de alta potência).
Na década de 1990, ocorreu um avanço, marcado por um aumento significativo na potência de saída dos lasers semicondutores, a comercialização de lasers semicondutores de alta potência no nível de quilowatts no exterior e a saída de dispositivos de amostra domésticos chegando a 600W. Do ponto de vista da expansão da banda laser, os primeiros lasers semicondutores infravermelhos, seguidos pelos lasers semicondutores vermelhos de 670nm, foram amplamente utilizados. Então, com o advento dos comprimentos de onda de 650nm e 635nm, lasers semicondutores de luz azul e verde também foram desenvolvidos com sucesso um após o outro. Lasers semicondutores violeta e até ultravioleta da ordem de 10mW também estão sendo desenvolvidos. Os lasers de emissão de superfície e os lasers de emissão de superfície de cavidade vertical se desenvolveram rapidamente no final dos anos 90, e uma variedade de aplicações em optoeletrônica superparalela foi considerada. Dispositivos de 980nm, 850nm e 780nm já são práticos em sistemas ópticos. Atualmente, lasers emissores de superfície de cavidade vertical têm sido usados ​​em redes de alta velocidade de Gigabit Ethernet.

Aplicações de lasers semicondutores
Os lasers semicondutores são uma classe de lasers que amadurecem mais cedo e progridem mais rapidamente. Devido à sua ampla faixa de comprimento de onda, produção simples, baixo custo e fácil produção em massa, e devido ao seu pequeno tamanho, peso leve e longa vida útil, eles têm um rápido desenvolvimento em variedades e aplicações. Uma vasta gama, atualmente mais de 300 espécies.

1. Aplicação na indústria e tecnologia
1) Comunicação de fibra óptica.Laser semicondutoré a única fonte de luz prática para o sistema de comunicação por fibra óptica, e a comunicação por fibra óptica tornou-se o mainstream da tecnologia de comunicação contemporânea.
2) Acesso ao disco. Lasers semicondutores têm sido usados ​​em memória de disco óptico, e sua maior vantagem é que armazena uma grande quantidade de informações de som, texto e imagem. O uso de lasers azul e verde pode melhorar muito a densidade de armazenamento de discos ópticos.
3) Análise espectral. Lasers semicondutores sintonizáveis ​​no infravermelho distante têm sido usados ​​na análise de gás ambiente, monitoramento da poluição do ar, exaustão de automóveis, etc. Ele pode ser usado na indústria para monitorar o processo de deposição de vapor.
4) Processamento óptico de informações. Lasers semicondutores têm sido usados ​​em sistemas de informação óptica. Matrizes bidimensionais de lasers semicondutores emissores de superfície são fontes de luz ideais para sistemas ópticos de processamento paralelo, que serão usados ​​em computadores e redes neurais ópticas.
5) Microfabricação a laser. Com a ajuda de pulsos de luz ultracurtos de alta energia gerados por lasers semicondutores Q-switched, os circuitos integrados podem ser cortados, perfurados, etc.
6) Alarme de laser. Os alarmes de laser semicondutor são amplamente utilizados, incluindo alarmes contra roubo, alarmes de nível de água, alarmes de distância do veículo, etc.
7) Impressoras a laser. Lasers semicondutores de alta potência têm sido usados ​​em impressoras a laser. O uso de lasers azul e verde pode melhorar muito a velocidade e a resolução de impressão.
8) Leitor de código de barras a laser. Os leitores de código de barras a laser semicondutores têm sido amplamente utilizados na venda de mercadorias e no gerenciamento de livros e arquivos.
9) Bombeie lasers de estado sólido. Esta é uma aplicação importante de lasers semicondutores de alta potência. Usá-lo para substituir a lâmpada de atmosfera original pode formar um sistema de laser de estado sólido.
10) TV a laser de alta definição. Em um futuro próximo, estima-se que as TVs a laser semicondutores sem tubos de raios catódicos, que utilizam lasers vermelho, azul e verde, consumirão 20% menos energia do que as TVs existentes.

2. Aplicações em pesquisas médicas e de ciências da vida
1) Cirurgia a laser.Lasers semicondutorestêm sido usados ​​para ablação de tecidos moles, colagem de tecidos, coagulação e vaporização. Esta técnica é amplamente utilizada em cirurgia geral, cirurgia plástica, dermatologia, urologia, obstetrícia e ginecologia, etc.
2) Terapia dinâmica a laser. As substâncias fotossensíveis que possuem afinidade pelo tumor são seletivamente acumuladas no tecido canceroso, e o tecido canceroso é irradiado com um laser semicondutor para gerar espécies reativas de oxigênio, visando torná-lo necrótico sem danificar o tecido saudável.
3) Pesquisa em ciências da vida. Usando as "pinças ópticas" delasers semicondutores, é possível capturar células vivas ou cromossomos e movê-los para qualquer posição. Ele tem sido usado para promover estudos de síntese e interação celular, e também pode ser usado como tecnologia de diagnóstico para coleta de evidências forenses.