Het werkingsprincipe en de belangrijkste soortenhalfgeleiderlaser
HalfgeleiderLaserdiodes, met hun hoge efficiëntie, miniaturisatie en golflengtediversiteit, worden ze veel gebruikt als kerncomponenten van opto-elektronische technologie in sectoren zoals communicatie, medische zorg en industriële verwerking. Dit artikel introduceert verder het werkingsprincipe en de typen halfgeleiderlasers, wat handig is als selectiereferentie voor de meeste opto-elektronische onderzoekers.
1. Het lichtgevende principe van halfgeleiderlasers
Het luminescentieprincipe van halfgeleiderlasers is gebaseerd op de bandstructuur, elektronische overgangen en gestimuleerde emissie van halfgeleidermaterialen. Halfgeleidermaterialen zijn een type materiaal met een bandgap, die een valentieband en een geleidingsband omvat. Wanneer het materiaal zich in de grondtoestand bevindt, vullen elektronen de valentieband terwijl er geen elektronen in de geleidingsband zijn. Wanneer een bepaald elektrisch veld van buitenaf wordt aangelegd of er stroom wordt geïnjecteerd, zullen sommige elektronen van de valentieband naar de geleidingsband overgaan en elektron-gatparen vormen. Tijdens het proces van energievrijgave, wanneer deze elektron-gatparen door de buitenwereld worden gestimuleerd, worden fotonen, oftewel lasers, gegenereerd.
2. Excitatiemethoden van halfgeleiderlasers
Er zijn hoofdzakelijk drie excitatiemethoden voor halfgeleiderlasers: het elektrische injectietype, het optische pomptype en het excitatietype met een elektronenbundel met hoge energie.
Elektrisch geïnjecteerde halfgeleiderlasers: dit zijn over het algemeen oppervlakte-overgangsdioden (SLO's) van halfgeleiders, gemaakt van materialen zoals galliumarsenide (GaAs), cadmiumsulfide (CdS), indiumfosfide (InP) en zinksulfide (ZnS). Ze worden geëxciteerd door stroom langs de voorwaartse voorspanning te injecteren, waardoor gestimuleerde emissie in het overgangsvlak ontstaat.
Optisch gepompte halfgeleiderlasers: Over het algemeen worden N-type of P-type halfgeleider-enkelkristallen (zoals GaAS, InAs, InSb, enz.) gebruikt als werkstof, en delaserDe door andere lasers uitgezonden straling wordt gebruikt als optisch gepompte excitatie.
Halfgeleiderlasers met hoogenergetische elektronenbundel: Deze gebruiken over het algemeen ook N-type of P-type halfgeleiderkristallen (zoals PbS, CdS, ZhO, enz.) als werkstof en worden geëxciteerd door een hoogenergetische elektronenbundel van buitenaf te injecteren. Van de halfgeleiderlasers is de elektrisch geïnjecteerde GaAs-diodelaser met een dubbele heterostructuur degene met de beste prestaties en een bredere toepassing.
3. De belangrijkste soorten halfgeleiderlasers
Het actieve gebied van een halfgeleiderlaser is het kerngebied voor het genereren en versterken van fotonen, en de dikte ervan is slechts enkele micrometers. Interne golfgeleiderstructuren worden gebruikt om de laterale diffusie van fotonen te beperken en de energiedichtheid te verbeteren (zoals ridge-golfgeleiders en begraven heterojuncties). De laser maakt gebruik van een koellichaamontwerp en selecteert materialen met een hoge thermische geleidbaarheid (zoals een koper-wolfraamlegering) voor snelle warmteafvoer, wat golflengtedrift door oververhitting kan voorkomen. Afhankelijk van hun structuur en toepassingsscenario's kunnen halfgeleiderlasers worden ingedeeld in de volgende vier categorieën:
Rand-emitterende laser (EEL)
De laserstraal wordt uitgezonden vanaf het splijtvlak aan de zijkant van de chip en vormt een elliptische vlek (met een divergentiehoek van ongeveer 30°×10°). Typische golflengten zijn 808 nm (voor pompen), 980 nm (voor communicatie) en 1550 nm (voor glasvezelcommunicatie). Het wordt veel gebruikt in industriële snijbronnen met hoog vermogen, glasvezellaserpompbronnen en optische communicatienetwerken.
2. Verticale holte-oppervlakte-emitterende laser (VCSEL)
De laser straalt loodrecht op het oppervlak van de chip uit, met een cirkelvormige en symmetrische straal (divergentiehoek <15°). Hij is voorzien van een gedistribueerde Bragg-reflector (DBR), waardoor een externe reflector niet nodig is. Hij wordt veel gebruikt in 3D-detectie (zoals gezichtsherkenning van mobiele telefoons), optische communicatie over korte afstanden (datacenters) en LiDAR.
3. Quantum Cascade Laser (QCL)
Gebaseerd op de cascade-overgang van elektronen tussen kwantumwells, bestrijkt de golflengte het midden- tot verre infraroodbereik (3-30 μm), zonder dat populatie-inversie nodig is. Fotonen worden gegenereerd via intersubbandovergangen en worden veel gebruikt in toepassingen zoals gasdetectie (zoals CO₂-detectie), terahertz-beeldvorming en milieumonitoring.
Het ontwerp met externe holte van de afstembare laser (rooster/prisma/MEMS-spiegel) kan een golflengte-afstemmingsbereik van ±50 nm bereiken, met een smalle lijnbreedte (<100 kHz) en een hoge side-mode rejection ratio (>50 dB). De laser wordt veel gebruikt in toepassingen zoals DWDM-communicatie (Density Wavelength Division Multiplexing), spectrale analyse en biomedische beeldvorming. Halfgeleiderlasers worden veel gebruikt in communicatielaserapparatuur, digitale laseropslagapparatuur, laserbewerkingsapparatuur, lasermarkeer- en verpakkingsapparatuur, laserzet- en drukapparatuur, medische laserapparatuur, laserafstands- en collimatiedetectie-instrumenten, laserinstrumenten en -apparatuur voor entertainment en onderwijs, lasercomponenten en -onderdelen, enz. Ze behoren tot de kerncomponenten van de laserindustrie. Vanwege de brede waaier aan toepassingen zijn er talloze merken en fabrikanten van lasers. Bij het maken van een keuze moet deze gebaseerd zijn op specifieke behoeften en toepassingsgebieden. Verschillende fabrikanten hebben verschillende toepassingen in verschillende sectoren, en de selectie van fabrikanten en lasers moet worden gemaakt op basis van het daadwerkelijke toepassingsgebied van het project.
Plaatsingstijd: 5 november 2025