Cos'è il laser a semiconduttore?

Dall'invenzione del primo laser a semiconduttore al mondo nel 1962, il laser a semiconduttore ha subito enormi cambiamenti, promuovendo notevolmente lo sviluppo di altre scienze e tecnologie, ed è considerato una delle più grandi invenzioni umane del ventesimo secolo. Negli ultimi dieci anni, i laser a semiconduttore si sono sviluppati più rapidamente e sono diventati la tecnologia laser in più rapida crescita al mondo. La gamma di applicazioni dei laser a semiconduttore copre l'intero campo dell'optoelettronica ed è diventata la tecnologia centrale della scienza optoelettronica odierna. Grazie ai vantaggi di dimensioni ridotte, struttura semplice, bassa energia in ingresso, lunga durata, facile modulazione e basso prezzo, i laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nel campo dell'optoelettronica e sono stati molto apprezzati da paesi di tutto il mondo.

laser a semiconduttore
A laser a semiconduttoreè un laser miniaturizzato che utilizza una giunzione Pn o una giunzione Pin composta da un materiale semiconduttore a band gap diretto come sostanza di lavoro. Esistono dozzine di materiali per la lavorazione del laser a semiconduttore. I materiali semiconduttori che sono stati trasformati in laser includono arseniuro di gallio, arseniuro di indio, antimonide di indio, solfuro di cadmio, tellururo di cadmio, seleniuro di piombo, tellururo di piombo, arseniuro di gallio di alluminio, fosforo di indio, arsenico, ecc. Esistono tre principali metodi di eccitazione dei semiconduttori laser, ovvero del tipo a iniezione elettrica, del tipo a pompa ottica e del tipo a eccitazione di fasci di elettroni ad alta energia. Il metodo di eccitazione della maggior parte dei laser a semiconduttore è l'iniezione elettrica, ovvero viene applicata una tensione diretta alla giunzione Pn per generare un'emissione stimolata nella regione del piano di giunzione, ovvero un diodo polarizzato in avanti. Pertanto, i laser a semiconduttore sono anche chiamati diodi laser a semiconduttore. Per i semiconduttori, poiché gli elettroni passano tra bande di energia piuttosto che livelli di energia discreti, l'energia di transizione non è un valore definito, il che rende la lunghezza d'onda di uscita dei laser a semiconduttore diffusa su un ampio intervallo. sulla gamma. Le lunghezze d'onda che emettono sono comprese tra 0,3 e 34 μm. L'intervallo di lunghezze d'onda è determinato dal gap di banda di energia del materiale utilizzato. Il più comune è il laser a doppia eterogiunzione AlGaAs, che ha una lunghezza d'onda di uscita di 750-890 nm.
La tecnologia di fabbricazione del laser a semiconduttore ha sperimentato dal metodo di diffusione all'epitassia in fase liquida (LPE), all'epitassia in fase vapore (VPE), all'epitassia a fascio molecolare (MBE), al metodo MOCVD (deposizione di vapore di composti organici metallici), all'epitassia a fascio chimico (CBE)) e varie loro combinazioni. Il più grande svantaggio dei laser a semiconduttore è che le prestazioni del laser sono fortemente influenzate dalla temperatura e l'angolo di divergenza del raggio è ampio (generalmente tra pochi gradi e 20 gradi), quindi è povero di direttività, monocromaticità e coerenza. Tuttavia, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, la ricerca sui laser a semiconduttore sta avanzando nella direzione della profondità e le prestazioni dei laser a semiconduttore sono in costante miglioramento. La tecnologia optoelettronica a semiconduttore con il laser a semiconduttore come nucleo farà progressi maggiori e svolgerà un ruolo maggiore nella società dell'informazione del 21° secolo.

Come funzionano i laser a semiconduttore?
A laser a semiconduttoreè una sorgente di radiazione coerente. Per far sì che generi luce laser, devono essere soddisfatte tre condizioni di base:
1. Condizione di guadagno: viene stabilita la distribuzione di inversione dei vettori nel mezzo laser (regione attiva). Nel semiconduttore, la banda di energia che rappresenta l'energia dell'elettrone è composta da una serie di livelli di energia prossimi al continuo. Pertanto, nel semiconduttore per ottenere l'inversione della popolazione, il numero di elettroni al fondo della banda di conduzione dello stato di alta energia deve essere molto maggiore del numero di lacune nella parte superiore della banda di valenza dello stato di bassa energia stato tra le due regioni di banda energetica. L'eterogiunzione è polarizzata in avanti per iniettare i portatori necessari nello strato attivo per eccitare gli elettroni dalla banda di valenza con energia inferiore alla banda di conduzione con energia più elevata. L'emissione stimolata si verifica quando un gran numero di elettroni in uno stato di inversione di popolazione si ricombina con le lacune.
2. Per ottenere effettivamente una radiazione stimolata coerente, la radiazione stimolata deve essere restituita più volte nel risonatore ottico per formare un'oscillazione laser. Il risonatore laser è formato dalla superficie di scissione naturale del cristallo semiconduttore come uno specchio, di solito in L'estremità che non emette luce è rivestita con un film dielettrico multistrato ad alta riflessione e la superficie emettitrice di luce è rivestita con un anti- pellicola di riflessione. Per il laser a semiconduttore della cavità F-p (cavità di Fabry-Perot), la cavità F-p può essere facilmente formata utilizzando il piano di scissione naturale del cristallo perpendicolare al piano di giunzione p-n.
3. Per formare un'oscillazione stabile, il mezzo laser deve essere in grado di fornire un guadagno sufficientemente grande per compensare la perdita ottica causata dal risonatore e la perdita causata dall'uscita laser dalla superficie della cavità, ecc., e continuamente aumentare il campo ottico nella cavità. Ciò richiede un'iniezione di corrente sufficientemente forte, ovvero c'è abbastanza inversione della popolazione, maggiore è il grado di inversione della popolazione, maggiore è il guadagno ottenuto, ovvero deve essere soddisfatta una certa condizione di soglia di corrente. Quando il laser raggiunge la soglia, la luce con una lunghezza d'onda specifica può risuonare nella cavità ed essere amplificata, e infine formare un laser ed emettere continuamente. Si può vedere che nei laser a semiconduttore, la transizione dipolare di elettroni e lacune è il processo di base dell'emissione e dell'amplificazione della luce. Per i nuovi laser a semiconduttore, è attualmente riconosciuto che i pozzi quantistici sono la forza trainante fondamentale per lo sviluppo di laser a semiconduttore. Se i cavi quantistici e i punti quantici possono sfruttare appieno gli effetti quantistici è stato esteso a questo secolo. Gli scienziati hanno cercato di utilizzare strutture auto-organizzate per creare punti quantici in vari materiali e i punti quantici GaInN sono stati utilizzati nei laser a semiconduttore.

Storia di sviluppo dei laser a semiconduttore
Illaser a semiconduttoredei primi anni '60 erano laser a omogiunzione, che erano diodi a giunzione pn fabbricati su un materiale. Sotto la grande iniezione di corrente diretta, gli elettroni vengono continuamente iniettati nella regione p e le lacune vengono continuamente iniettate nella regione n. Pertanto, l'inversione della distribuzione della portante è realizzata nella regione di svuotamento della giunzione pn originale. Poiché la velocità di migrazione degli elettroni è maggiore di quella delle lacune, nella regione attiva si verificano radiazioni e ricombinazione e viene emessa fluorescenza. laser, un laser a semiconduttore che può funzionare solo a impulsi. La seconda fase dello sviluppo dei laser a semiconduttore è il laser a semiconduttore eterostruttura, che è composto da due strati sottili di materiali semiconduttori con diversi gap di banda, come GaAs e GaAlAs, e il laser a eterostruttura singolo è apparso per la prima volta (1969). Il laser a iniezione a singola eterogiunzione (SHLD) si trova all'interno della regione p della giunzione GaAsP-N per ridurre la densità di corrente di soglia, che è un ordine di grandezza inferiore a quello del laser a omogiunzione, ma il laser a singola eterogiunzione non può ancora temperatura ambiente.
Dalla fine degli anni '70, i laser a semiconduttore si sono ovviamente sviluppati in due direzioni, uno è un laser basato sull'informazione allo scopo di trasmettere informazioni e l'altro è un laser basato sulla potenza allo scopo di aumentare la potenza ottica. Guidato da applicazioni come laser a stato solido pompati, laser a semiconduttore ad alta potenza (la potenza di uscita continua di oltre 100 mw e la potenza di uscita a impulsi superiore a 5 W possono essere chiamati laser a semiconduttore ad alta potenza).
Negli anni '90 è stata fatta una svolta, caratterizzata da un aumento significativo della potenza di uscita dei laser a semiconduttore, dalla commercializzazione di laser a semiconduttore ad alta potenza a livello di kilowatt all'estero e dalla produzione di dispositivi di campionamento domestici che raggiungono i 600 W. Dal punto di vista dell'espansione della banda laser, sono stati ampiamente utilizzati i primi laser a semiconduttore a infrarossi, seguiti da laser a semiconduttore rossi a 670 nm. Quindi, con l'avvento delle lunghezze d'onda di 650 nm e 635 nm, anche i laser a semiconduttore blu-verde e blu sono stati sviluppati con successo uno dopo l'altro. Sono inoltre in fase di sviluppo laser a semiconduttore viola e persino ultravioletti dell'ordine di 10 mW. I laser a emissione di superficie e i laser a emissione di superficie a cavità verticale si sono sviluppati rapidamente alla fine degli anni '90 e sono state prese in considerazione una varietà di applicazioni nell'optoelettronica super parallela. I dispositivi a 980 nm, 850 nm e 780 nm sono già pratici nei sistemi ottici. Attualmente, i laser a emissione di superficie a cavità verticale sono stati utilizzati nelle reti Gigabit Ethernet ad alta velocità.

Applicazioni dei laser a semiconduttore
I laser a semiconduttore sono una classe di laser che maturano prima e progrediscono più velocemente. A causa della loro ampia gamma di lunghezze d'onda, della produzione semplice, del basso costo e della facile produzione in serie, e per le loro dimensioni ridotte, peso leggero e lunga durata, hanno un rapido sviluppo nelle varietà e nelle applicazioni. Una vasta gamma, attualmente più di 300 specie.

1. Applicazione nell'industria e nella tecnologia
1) Comunicazione in fibra ottica.Laser a semiconduttoreè l'unica fonte di luce pratica per il sistema di comunicazione in fibra ottica e la comunicazione in fibra ottica è diventata la corrente principale della tecnologia di comunicazione contemporanea.
2) Accesso al disco. I laser a semiconduttore sono stati utilizzati nella memoria del disco ottico e il suo più grande vantaggio è che memorizza una grande quantità di informazioni su suoni, testo e immagini. L'uso di laser blu e verdi può migliorare notevolmente la densità di archiviazione dei dischi ottici.
3) Analisi spettrale. I laser a semiconduttore sintonizzabili nel lontano infrarosso sono stati utilizzati nell'analisi dei gas ambientali, nel monitoraggio dell'inquinamento atmosferico, nei gas di scarico delle automobili, ecc. Possono essere utilizzati nell'industria per monitorare il processo di deposizione di vapore.
4) Elaborazione ottica delle informazioni. I laser a semiconduttore sono stati utilizzati nei sistemi di informazione ottici. Gli array bidimensionali di laser a semiconduttore a emissione di superficie sono sorgenti luminose ideali per i sistemi di elaborazione paralleli ottici, che verranno utilizzati nei computer e nelle reti neurali ottiche.
5) Microfabbricazione laser. Con l'aiuto di impulsi luminosi ultracorti ad alta energia generati da laser a semiconduttore Q-switch, i circuiti integrati possono essere tagliati, perforati, ecc.
6) Allarme laser. Gli allarmi laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati, inclusi allarmi antifurto, allarmi del livello dell'acqua, allarmi della distanza del veicolo, ecc.
7) Stampanti laser. Nelle stampanti laser sono stati utilizzati laser a semiconduttore ad alta potenza. L'uso di laser blu e verdi può migliorare notevolmente la velocità e la risoluzione di stampa.
8) Scanner di codici a barre laser. Gli scanner di codici a barre laser a semiconduttore sono stati ampiamente utilizzati nella vendita di merci e nella gestione di libri e archivi.
9) Pompa laser a stato solido. Questa è un'applicazione importante dei laser a semiconduttore ad alta potenza. Usarlo per sostituire la lampada dell'atmosfera originale può formare un sistema laser completamente a stato solido.
10) TV laser ad alta definizione. Nel prossimo futuro, si stima che i televisori laser a semiconduttore senza tubi a raggi catodici, che utilizzano laser rossi, blu e verdi, consumino il 20% in meno di energia rispetto ai televisori esistenti.

2. Applicazioni nella ricerca medica e nelle scienze della vita
1) Chirurgia laser.Laser a semiconduttoresono stati utilizzati per l'ablazione dei tessuti molli, il legame dei tessuti, la coagulazione e la vaporizzazione. Questa tecnica è ampiamente utilizzata in chirurgia generale, chirurgia plastica, dermatologia, urologia, ostetricia e ginecologia, ecc.
2) Terapia laserdinamica. Le sostanze fotosensibili che hanno un'affinità per il tumore vengono accumulate selettivamente nel tessuto canceroso, e il tessuto canceroso viene irradiato con un laser a semiconduttore per generare specie reattive dell'ossigeno, con l'obiettivo di renderlo necrotico senza danneggiare il tessuto sano.
3) Ricerca nelle scienze della vita. Utilizzando le "pinzette ottiche" dilaser a semiconduttore, è possibile catturare cellule vive o cromosomi e spostarli in qualsiasi posizione. È stato utilizzato per promuovere la sintesi cellulare e gli studi di interazione cellulare e può anche essere utilizzato come tecnologia diagnostica per la raccolta di prove forensi.