Načelo delovanja in glavne vrstepolprevodniški laser
PolprevodnikLaserske diodeZaradi visoke učinkovitosti, miniaturizacije in raznolikosti valovnih dolžin se pogosto uporabljajo kot osrednje komponente optoelektronske tehnologije na področjih, kot so komunikacija, medicinska oskrba in industrijska predelava. Ta članek podrobneje predstavlja princip delovanja in vrste polprevodniških laserjev, kar je priročno za izbiro večini raziskovalcev optoelektronike.
1. Načelo oddajanja svetlobe polprevodniških laserjev
Načelo luminiscence polprevodniških laserjev temelji na pasovni strukturi, elektronskih prehodih in stimulirani emisiji polprevodniških materialov. Polprevodniški materiali so vrsta materiala z vrzeljo med pasovi, ki vključuje valentni in prevodni pas. Ko je material v osnovnem stanju, elektroni zapolnijo valentni pas, medtem ko v prevodnem pasu ni elektronov. Ko se od zunaj uporabi določeno električno polje ali se vbrizga tok, nekateri elektroni preidejo iz valentnega v prevodni pas in tvorijo elektronsko-vrtenske pare. Med procesom sproščanja energije, ko zunanji svet stimulira te elektronsko-vrtenske pare, nastanejo fotoni, torej laserji.
2. Metode vzbujanja polprevodniških laserjev
Za polprevodniške laserje obstajajo predvsem tri metode vzbujanja, in sicer vrsta električnega vbrizgavanja, vrsta optične črpalke in vrsta vzbujanja z visokoenergijskim elektronskim žarkom.
Električno vbrizgani polprevodniški laserji: Na splošno so to polprevodniške diode s površinskim stikom, izdelane iz materialov, kot so galijev arzenid (GaAs), kadmijev sulfid (CdS), indijev fosfid (InP) in cinkov sulfid (ZnS). Vzbujajo se z vbrizgavanjem toka vzdolž direktne prednapetosti, kar ustvarja stimulirano emisijo v območju ravnine spoja.
Optično črpani polprevodniški laserji: Na splošno se kot delovna snov uporabljajo polprevodniški monokristali tipa N ali P (kot so GaAS, InAs, InSb itd.) inlaserki ga oddajajo drugi laserji, se uporablja kot optično črpano vzbujanje.
Polprevodniški laserji, vzbujeni z visokoenergijskim elektronskim snopom: Na splošno uporabljajo tudi polprevodniške monokristale tipa N ali P (kot so PbS, CdS, ZhO itd.) kot delovno snov in se vzbujajo z vbrizgavanjem visokoenergijskega elektronskega snopa od zunaj. Med polprevodniškimi laserskimi napravami ima boljšo zmogljivost in širšo uporabo električno vbrizgan GaAs diodni laser z dvojno heterostrukturo.
3. Glavne vrste polprevodniških laserjev
Aktivno območje polprevodniškega laserja je osrednje območje za generiranje in ojačanje fotonov, njegova debelina pa je le nekaj mikrometrov. Notranje valovodne strukture se uporabljajo za omejevanje lateralne difuzije fotonov in povečanje gostote energije (kot so grebenski valovod in zakopani heterospoji). Laser ima zasnovo hladilnega telesa in izbrane materiale z visoko toplotno prevodnostjo (kot je zlitina bakra in volframa) za hitro odvajanje toplote, kar lahko prepreči zdrs valovne dolžine zaradi pregrevanja. Glede na njihovo strukturo in scenarije uporabe lahko polprevodniške laserje razvrstimo v naslednje štiri kategorije:
Robni laser (EEL)
Laser seva iz cepitvene površine na strani čipa in tvori eliptično piko (z divergenčnim kotom približno 30° × 10°). Tipične valovne dolžine vključujejo 808 nm (za črpanje), 980 nm (za komunikacijo) in 1550 nm (za optično komunikacijo). Široko se uporablja v visokozmogljivem industrijskem rezanju, črpalnih virih z optičnimi laserji in hrbteničnih omrežjih optične komunikacije.
2. Laser z navpično votlino za oddajanje površin (VCSEL)
Laser se oddaja pravokotno na površino čipa s krožnim in simetričnim žarkom (kot divergence <15°). Vgrajen je porazdeljen Bragg-ov reflektor (DBR), s čimer se odpravi potreba po zunanjem reflektorju. Široko se uporablja v 3D-zaznavanju (kot je prepoznavanje obrazov na mobilnih telefonih), optični komunikaciji kratkega dosega (podatkovni centri) in LiDAR-ju.
3. Kvantni kaskadni laser (QCL)
Na podlagi kaskadnega prehoda elektronov med kvantnimi jamicami valovna dolžina pokriva srednji do daljni infrardeči razpon (3–30 μm), brez potrebe po inverziji populacije. Fotoni nastajajo z medpodpasovnimi prehodi in se pogosto uporabljajo v aplikacijah, kot so zaznavanje plinov (kot je zaznavanje CO₂), teraherčno slikanje in spremljanje okolja.
Zasnova zunanje votline nastavljivega laserja (mreža/prizma/MEMS zrcalo) lahko doseže območje nastavitve valovne dolžine ±50 nm, z ozko širino črte (<100 kHz) in visokim razmerjem zavrnitve stranskih modov (>50 dB). Pogosto se uporablja v aplikacijah, kot so komunikacija z gosto valovno delitveno multipleksiranje (DWDM), spektralna analiza in biomedicinsko slikanje. Polprevodniški laserji se pogosto uporabljajo v komunikacijskih laserskih napravah, digitalnih laserskih napravah za shranjevanje, laserski obdelavi, opremi za lasersko označevanje in pakiranje, laserskem stavljenju in tiskanju, laserski medicinski opremi, laserskih instrumentih za zaznavanje razdalje in kolimacije, laserskih instrumentih in opremi za zabavo in izobraževanje, laserskih komponentah in delih itd. Sodijo med ključne komponente laserske industrije. Zaradi širokega nabora uporabe obstaja veliko blagovnih znamk in proizvajalcev laserjev. Pri izbiri je treba upoštevati specifične potrebe in področja uporabe. Različni proizvajalci imajo različne aplikacije na različnih področjih, izbira proizvajalcev in laserjev pa mora biti glede na dejansko področje uporabe projekta.
Čas objave: 05. november 2025