O que é um laser semicondutor?（Parte Ⅰ）

Desde a invenção do primeiroLasers semicondutoresno mundo em 1962, o laser semicondutor passou por grandes mudanças, promovendo grandemente o desenvolvimento de outras ciências e tecnologias, e é considerado uma das invenções importantes do século XX. Nas últimas décadas, o desenvolvimento do laser semicondutor é mais rápido e se tornou a tecnologia laser de desenvolvimento mais rápido do mundo. A aplicação de lasers semicondutores abrange todo o campo da optoeletrônica e tornou-se a principal tecnologia da ciência optoeletrônica. Devido às vantagens de tamanho pequeno, estrutura simples, baixo consumo de energia, longa vida útil, facilidade de modulação e baixo preço, o laser semicondutor tem sido amplamente utilizado no campo da optoeletrônica e tem sido altamente valorizado por países ao redor do mundo.

1. Lasers semicondutores

O laser semicondutor é um tipo de laser miniaturizado que é composto por uma junção Pn ou pino de material semicondutor de gap direto de banda. Existem dezenas de tipos de substâncias semicondutoras que trabalham com laser. Atualmente, os materiais semicondutores que foram transformados em lasers são arseneto de gálio, arseneto de índio, antimoneto de índio, sulfeto de cádmio, telureto de cádmio, seleneto de chumbo, telureto de chumbo, arsênico de gálio de alumínio, arsênico de fósforo de índio e assim por diante. Existem três tipos de modos de excitação de um laser semicondutor, ou seja, injeção elétrica, bomba óptica e excitação de feixe de elétrons de alta energia. O modo de excitação da maioria dos lasers semicondutores é a injeção elétrica, ou seja, a tensão direta é aplicada na junção Pn para gerar emissão estimulada na região do plano da junção, ou seja, é um diodo com polarização direta. Portanto, o laser semicondutor também é chamado de diodo laser semicondutor. Para semicondutores, uma vez que os elétrons transitam entre bandas de energia e não entre níveis de energia discretos, a energia de transição não é um valor definido, o que faz com que o comprimento de onda de saída do laser semicondutor se espalhe por uma ampla faixa. Eles emitem comprimentos de onda que variam de 0.3 a 34μm. A faixa de comprimento de onda depende do intervalo de banda do material usado. O laser comum de dupla heterojunção AlGaAs tem um comprimento de onda de saída de 750 ~ 890 nm.

A tecnologia de produção de lasers semicondutores experimentou desde o método de difusão até epitaxia em fase líquida (LPE), epitaxia em fase gasosa (VPE), epitaxia por feixe molecular (MBE), método MOCVD (deposição de vapor de metal orgânico), epitaxia por feixe químico (CBE) e seus vários combinação de uma variedade de processos. A desvantagem do laser semicondutor é que o desempenho do laser é afetado pela temperatura e o ângulo de divergência do feixe é grande (geralmente entre vários graus e 20 graus), por isso é pobre em diretividade, propriedade monocromática e coerência. Mas com o rápido desenvolvimento da ciência e tecnologia, a pesquisa de lasers dpss está avançando na direção da profundidade, e o desempenho do laser semicondutor está melhorando constantemente. A tecnologia de optoeletrônica semicondutora com laser semicondutor como núcleo fará mais progressos e desempenhará um papel maior na sociedade da informação do século XXI.

2. Princípio de funcionamento dos lasers semicondutores

O laser semicondutor é uma fonte de radiação coerente. Três condições básicas devem ser atendidas para gerar um laser.

①Condição de ganho: a distribuição de inversão dos portadores de carga no meio de excitação (região ativa) é estabelecida. Nos semicondutores, a energia dos elétrons é representada por uma série de níveis de energia quase contínuos. Isso é obtido aplicando um viés direto à junção homogênea ou heterojunção e injetando os portadores de carga necessários na camada ativa para excitar elétrons da banda de valência inferior para a banda de condução superior. A emissão estimulada ocorre quando um grande número de elétrons no estado reverso da população de partículas se recombina com buracos.

②para realmente obter radiação excitada coerente, deve-se fazer a radiação excitada no ressonador óptico para obter feedback múltiplo e formar oscilação do laser, o ressonador do laser é formado pela superfície de clivagem natural do cristal semicondutor como um espelho, geralmente no final do chapeamento de luz no filme dielétrico multicamada inverso alto e o chapeamento de superfície lisa no filme inverso reduzido. Para o laser semicondutor de cavidade Fp (cavidade de Fabry-Perot), a cavidade FP pode ser convenientemente construída pelo plano de clivagem natural perpendicular ao plano de junção pn do cristal.

③Para formar oscilação estável, o meio do laser deve ser capaz de fornecer ganho suficiente para compensar a perda óptica causada pela cavidade ressonante e a saída do laser da superfície da cavidade e aumentar constantemente o campo óptico na cavidade. Isso requer uma injeção de corrente forte o suficiente, ou seja, inversão do número de partículas suficiente. Quanto maior o grau de inversão do número de partículas, maior o ganho, ou seja, uma certa condição de limite de corrente deve ser atendida. Quando o laser atinge o limite, a luz com um comprimento de onda específico pode ressoar na cavidade e ser amplificada e, finalmente, formar um laser e emitir continuamente. Pode-se ver que a transição dipolo de elétron e buraco é o processo básico de emissão de luz e amplificação de luz em lasers semicondutores. Para o novo laser semicondutor, é geralmente aceito que o poço quântico é a força motriz fundamental para o desenvolvimento de lasers. A questão de saber se os fios e pontos quânticos podem aproveitar ao máximo os efeitos quânticos se estendeu até este século. Os cientistas experimentaram estruturas auto-organizadas para fazer pontos quânticos em vários materiais, e os pontos quânticos GaInN foram usados ​​em lasers semicondutores.

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