Het werkingsprincipe en de belangrijkste typenhalfgeleiderlaser
HalfgeleiderLaserdiodesHalfgeleiderlasers, met hun hoge efficiëntie, miniaturisatie en golflengtediversiteit, worden veelvuldig gebruikt als kerncomponenten in opto-elektronische technologie op gebieden zoals communicatie, medische zorg en industriële processen. Dit artikel beschrijft verder het werkingsprincipe en de verschillende typen halfgeleiderlasers, wat een handig naslagwerk is voor de meeste opto-elektronische onderzoekers.
1. Het lichtemissieprincipe van halfgeleiderlasers
Het luminescentieprincipe van halfgeleiderlasers is gebaseerd op de bandstructuur, elektronische overgangen en gestimuleerde emissie van halfgeleidermaterialen. Halfgeleidermaterialen zijn materialen met een bandkloof, bestaande uit een valentieband en een geleidingsband. In de grondtoestand vullen elektronen de valentieband, terwijl er geen elektronen in de geleidingsband aanwezig zijn. Wanneer een elektrisch veld extern wordt aangelegd of een stroom wordt geïnjecteerd, zullen sommige elektronen van de valentieband naar de geleidingsband overgaan, waardoor elektronen-gatparen worden gevormd. Tijdens het proces van energieafgifte worden, wanneer deze elektronen-gatparen door de buitenwereld worden gestimuleerd, fotonen, oftewel lasers, gegenereerd.
2. Aansturingsmethoden van halfgeleiderlasers
Er zijn hoofdzakelijk drie excitatiemethoden voor halfgeleiderlasers, namelijk elektrische injectie, optische pomp en excitatie met een hoogenergetische elektronenbundel.
Elektrisch geïnjecteerde halfgeleiderlasers: Dit zijn over het algemeen halfgeleider-oppervlaktejunctiediodes gemaakt van materialen zoals galliumarsenide (GaAs), cadmiumsulfide (CdS), indiumfosfide (InP) en zinksulfide (ZnS). Ze worden aangeslagen door stroom te injecteren in de voorwaartse richting, waardoor gestimuleerde emissie in het junctievlakgebied ontstaat.
Optisch gepompte halfgeleiderlasers: Over het algemeen worden N-type of P-type halfgeleider-eenkristallen (zoals GaAS, InAs, InSb, enz.) gebruikt als werkmateriaal, en delaserDe straling die door andere lasers wordt uitgezonden, wordt gebruikt als optisch gepompte excitatie.
Hoogenergetische elektronenbundel-geëxciteerde halfgeleiderlasers: Deze gebruiken over het algemeen ook N-type of P-type halfgeleider-eenkristallen (zoals PbS, CdS, ZhO, enz.) als werkmateriaal en worden geëxciteerd door een hoogenergetische elektronenbundel van buitenaf toe te voeren. Van de halfgeleiderlasers heeft de elektrisch geïnjecteerde GaAs-diodelaser met een dubbele heterostructuur de beste prestaties en de breedste toepassingsmogelijkheden.
3. De belangrijkste typen halfgeleiderlasers
Het actieve gebied van een halfgeleiderlaser is de kern voor fotonengeneratie en -versterking, en de dikte ervan bedraagt slechts enkele micrometers. Interne golfgeleiderstructuren worden gebruikt om de laterale diffusie van fotonen te beperken en de energiedichtheid te verhogen (zoals ribgolfgeleiders en ingebedde heteroverbindingen). De laser is voorzien van een koelplaat en maakt gebruik van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid (zoals een koper-wolfraamlegering) voor snelle warmteafvoer, wat golflengtedrift door oververhitting kan voorkomen. Op basis van hun structuur en toepassingsscenario's kunnen halfgeleiderlasers in de volgende vier categorieën worden ingedeeld:
Randemitterende laser (EEL)
De laserstraal komt uit het splijtvlak aan de zijkant van de chip en vormt een elliptische lichtvlek (met een divergentiehoek van ongeveer 30° × 10°). Typische golflengten zijn 808 nm (voor pompen), 980 nm (voor communicatie) en 1550 nm (voor glasvezelcommunicatie). De laser wordt veel gebruikt in industriële snijprocessen met hoog vermogen, als pompbron voor glasvezellasers en in optische communicatienetwerken.
2. Verticale holte-oppervlakte-emitterende laser (VCSEL)
De laserstraal wordt loodrecht op het oppervlak van de chip gericht, met een cirkelvormige en symmetrische bundel (divergentiehoek <15°). De chip is voorzien van een gedistribueerde Bragg-reflector (DBR), waardoor een externe reflector overbodig is. Deze technologie wordt veel gebruikt voor 3D-sensoren (zoals gezichtsherkenning op mobiele telefoons), optische communicatie over korte afstanden (datacenters) en LiDAR.
3. Kwantumcascadelaser (QCL)
Gebaseerd op de cascadeovergang van elektronen tussen kwantumputten, bestrijkt de golflengte het midden- tot ver-infraroodbereik (3-30 μm), zonder dat populatie-inversie nodig is. Fotonen worden gegenereerd door overgangen tussen subbanden en worden veelvuldig gebruikt in toepassingen zoals gasdetectie (bijvoorbeeld CO₂-detectie), terahertz-beeldvorming en milieumonitoring.
Het externe caviteitsontwerp (rooster/prisma/MEMS-spiegel) van de afstemmbare laser maakt een golflengte-afstemmingsbereik van ±50 nm mogelijk, met een smalle lijnbreedte (<100 kHz) en een hoge onderdrukking van nevenmodi (>50 dB). Deze lasers worden veel gebruikt in toepassingen zoals DWDM-communicatie (Dense Wavelength Division Multiplexing), spectrale analyse en biomedische beeldvorming. Halfgeleiderlasers worden op grote schaal toegepast in communicatielasers, digitale laseropslagapparaten, laserbewerkingsapparatuur, lasermarkerings- en verpakkingsapparatuur, laserzet- en drukapparatuur, medische laserapparatuur, laserinstrumenten voor afstands- en collimatiedetectie, laserinstrumenten en -apparatuur voor entertainment en onderwijs, lasercomponenten en -onderdelen, enzovoort. Ze behoren tot de kerncomponenten van de laserindustrie. Vanwege het brede scala aan toepassingen zijn er talloze merken en fabrikanten van lasers. Bij de keuze moet rekening worden gehouden met de specifieke behoeften en toepassingsgebieden. Verschillende fabrikanten hebben verschillende toepassingen in diverse sectoren, en de selectie van fabrikanten en lasers moet worden afgestemd op het daadwerkelijke toepassingsgebied van het project.
Geplaatst op: 05-11-2025