Принципът на работа и основните видовеполупроводников лазер
ПолупроводникЛазерни диоди, с високата си ефективност, миниатюризация и разнообразие от дължини на вълните, се използват широко като основни компоненти на оптоелектронните технологии в области като комуникациите, медицинските грижи и промишлената обработка. Тази статия представя по-подробно принципа на работа и видовете полупроводникови лазери, което е удобно за справка при избора на повечето изследователи в областта на оптоелектрониката.
1. Принципът на излъчване на светлина на полупроводниковите лазери
Принципът на луминесценцията на полупроводниковите лазери се основава на лентовата структура, електронните преходи и стимулираното излъчване на полупроводникови материали. Полупроводниковите материали са вид материал с забранена зона, която включва валентна зона и проводима зона. Когато материалът е в основно състояние, електроните запълват валентната зона, докато в проводимата зона няма електрони. Когато се приложи външно електрическо поле или се инжектира ток, някои електрони ще преминат от валентната зона в проводимата зона, образувайки електрон-дупкови двойки. По време на процеса на освобождаване на енергия, когато тези електрон-дупкови двойки се стимулират от външния свят, ще се генерират фотони, т.е. лазери.
2. Методи за възбуждане на полупроводникови лазери
Съществуват основно три метода на възбуждане за полупроводникови лазери, а именно тип електрическо инжектиране, тип оптична помпа и тип възбуждане с високоенергиен електронен лъч.
Електрически инжектирани полупроводникови лазери: Обикновено те са полупроводникови диоди с повърхностен преход, изработени от материали като галиев арсенид (GaAs), кадмиев сулфид (CdS), индиев фосфид (InP) и цинков сулфид (ZnS). Те се възбуждат чрез инжектиране на ток по права линия, генерирайки стимулирана емисия в областта на равнината на прехода.
Оптично напомпвани полупроводникови лазери: Обикновено като работно вещество се използват полупроводникови монокристали от N-тип или P-тип (като GaAS, InAs, InSb и др.).лазеризлъчваното от други лазери се използва като оптично напомпвано възбуждане.
Полупроводникови лазери, възбудени с високоенергиен електронен лъч: Обикновено те използват полупроводникови монокристали от N-тип или P-тип (като PbS, CdS, ZhO и др.) като работно вещество и се възбуждат чрез инжектиране на високоенергиен електронен лъч отвън. Сред полупроводниковите лазерни устройства, този с по-добри характеристики и по-широко приложение е електрически инжектираният GaAs диоден лазер с двойна хетероструктура.
3. Основните видове полупроводникови лазери
Активната област на полупроводниковия лазер е основната област за генериране и усилване на фотони, а дебелината ѝ е само няколко микрометра. Вътрешни вълноводни структури се използват за ограничаване на страничната дифузия на фотоните и за повишаване на енергийната плътност (като например гребенови вълноводи и заровени хетеропреходи). Лазерът използва дизайн с радиатор и избира материали с висока топлопроводимост (като например медно-волфрамова сплав) за бързо разсейване на топлината, което може да предотврати дрейфа на дължината на вълната, причинен от прегряване. Според тяхната структура и сценарии на приложение, полупроводниковите лазери могат да бъдат класифицирани в следните четири категории:
Лазер с ръбово излъчване (EEL)
Лазерът се излъчва от повърхността на разцепване отстрани на чипа, образувайки елиптично петно (с ъгъл на отклонение приблизително 30°×10°). Типичните дължини на вълните включват 808 nm (за напомпване), 980 nm (за комуникация) и 1550 nm (за оптична комуникация). Той се използва широко в мощно промишлено рязане, източници на напомпване с оптични лазери и оптични комуникационни опорни мрежи.
2. Вертикално-кухонен лазер с повърхностно излъчване (VCSEL)
Лазерът се излъчва перпендикулярно на повърхността на чипа, с кръгъл и симетричен лъч (ъгъл на отклонение <15°). Той интегрира разпределен Брагов рефлектор (DBR), елиминирайки необходимостта от външен рефлектор. Той се използва широко в 3D сензори (като разпознаване на лица от мобилни телефони), оптична комуникация на къси разстояния (центрове за данни) и LiDAR.
3. Квантов каскаден лазер (ККЛ)
Въз основа на каскадния преход на електрони между квантовите ямки, дължината на вълната покрива средния до далечния инфрачервен диапазон (3-30 μm), без да е необходима инверсия на популацията. Фотоните се генерират чрез междуподлентови преходи и се използват често в приложения като газово измерване (като например откриване на CO₂), терагерцово изобразяване и мониторинг на околната среда.
Дизайнът на външния резонатор на настройваемия лазер (решетка/призма/MEMS огледало) може да постигне диапазон на настройка на дължината на вълната от ±50 nm, с тясна ширина на линията (<100 kHz) и висок коефициент на потискане на страничния мод (>50 dB). Той се използва често в приложения като комуникация с плътно мултиплексиране с разделяне на дължината на вълната (DWDM), спектрален анализ и биомедицинско изобразяване. Полупроводниковите лазери се използват широко в комуникационни лазерни устройства, цифрови лазерни устройства за съхранение, лазерно оборудване за обработка, лазерно маркиране и опаковане, лазерен набор и печат, лазерно медицинско оборудване, лазерни инструменти за откриване на разстояние и колимация, лазерни инструменти и оборудване за развлечение и образование, лазерни компоненти и части и др. Те принадлежат към основните компоненти на лазерната индустрия. Поради широкия си спектър от приложения, има много марки и производители на лазери. При избора трябва да се вземат предвид специфичните нужди и областите на приложение. Различните производители имат различни приложения в различни области и изборът на производители и лазери трябва да се извършва според действителната област на приложение на проекта.
Време на публикуване: 05 ноември 2025 г.