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¿Qué es el láser semiconductor?

2022-01-13
Desde la invención del primer láser semiconductor del mundo en 1962, el láser semiconductor ha experimentado cambios tremendos, promoviendo en gran medida el desarrollo de otras ciencias y tecnologías, y se considera uno de los mayores inventos humanos del siglo XX. En los últimos diez años, los láseres semiconductores se han desarrollado más rápidamente y se han convertido en la tecnología láser de más rápido crecimiento en el mundo. El rango de aplicación de los láseres semiconductores cubre todo el campo de la optoelectrónica y se ha convertido en la tecnología central de la ciencia optoelectrónica actual. Debido a las ventajas de tamaño pequeño, estructura simple, baja energía de entrada, larga vida útil, fácil modulación y bajo precio, los láseres semiconductores se utilizan ampliamente en el campo de la optoelectrónica y han sido muy valorados por países de todo el mundo.

láser semiconductor
A láser semiconductores un láser miniaturizado que utiliza una unión Pn o unión Pin compuesta de un material semiconductor de banda prohibida directa como sustancia de trabajo. Hay docenas de materiales de trabajo de láser semiconductor. Los materiales semiconductores que se han convertido en láseres incluyen arseniuro de galio, arseniuro de indio, antimoniuro de indio, sulfuro de cadmio, telururo de cadmio, seleniuro de plomo, telururo de plomo, arseniuro de galio y aluminio, fósforo de indio, arsénico, etc. Existen tres métodos principales de excitación de semiconductores. láseres, a saber, del tipo de inyección eléctrica, del tipo de bomba óptica y del tipo de excitación por haz de electrones de alta energía. El método de excitación de la mayoría de los láseres semiconductores es la inyección eléctrica, es decir, se aplica un voltaje directo a la unión Pn para generar una emisión estimulada en la región del plano de unión, es decir, un diodo polarizado en directa. Por lo tanto, los láseres semiconductores también se denominan diodos láser semiconductores. Para los semiconductores, dado que los electrones hacen la transición entre bandas de energía en lugar de niveles de energía discretos, la energía de transición no es un valor definido, lo que hace que la longitud de onda de salida de los láseres de semiconductores se extienda en un amplio rango. en el rango. Las longitudes de onda que emiten están entre 0,3 y 34 μm. El rango de longitud de onda está determinado por la brecha de banda de energía del material utilizado. El más común es el láser de doble heterounión AlGaAs, que tiene una longitud de onda de salida de 750-890 nm.
La tecnología de fabricación de láser semiconductor ha experimentado desde el método de difusión hasta la epitaxia en fase líquida (LPE), la epitaxia en fase de vapor (VPE), la epitaxia de haz molecular (MBE), el método MOCVD (deposición de vapor de compuestos orgánicos metálicos), la epitaxia de haz químico (CBE)) y varias combinaciones de ellos. La mayor desventaja de los láseres semiconductores es que el rendimiento del láser se ve muy afectado por la temperatura y el ángulo de divergencia del haz es grande (generalmente entre unos pocos grados y 20 grados), por lo que es pobre en directividad, monocromaticidad y coherencia. Sin embargo, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la investigación de los láseres semiconductores avanza en la dirección de la profundidad, y el rendimiento de los láseres semiconductores mejora constantemente. La tecnología optoelectrónica de semiconductores con láser semiconductor como núcleo avanzará más y desempeñará un papel más importante en la sociedad de la información del siglo XXI.

¿Cómo funcionan los láseres semiconductores?
A láser semiconductores una fuente de radiación coherente. Para que genere luz láser se deben cumplir tres condiciones básicas:
1. Condición de ganancia: se establece la distribución de inversión de los portadores en el medio láser (región activa). En el semiconductor, la banda de energía que representa la energía del electrón está compuesta por una serie de niveles de energía que son casi continuos. Por lo tanto, en el semiconductor Para lograr la inversión de población, el número de electrones en la parte inferior de la banda de conducción del estado de alta energía debe ser mucho mayor que el número de huecos en la parte superior de la banda de valencia del estado de baja energía. estado entre las dos regiones de la banda de energía. La heterounión está polarizada hacia adelante para inyectar los portadores necesarios en la capa activa para excitar los electrones de la banda de valencia con menor energía a la banda de conducción con mayor energía. La emisión estimulada ocurre cuando una gran cantidad de electrones en un estado de inversión de población se recombinan con huecos.
2. Para obtener realmente una radiación estimulada coherente, la radiación estimulada debe retroalimentarse varias veces en el resonador óptico para formar una oscilación láser. El resonador láser está formado por la superficie de división natural del cristal semiconductor como un espejo, generalmente en El extremo que no emite luz está recubierto con una película dieléctrica multicapa de alta reflexión, y la superficie emisora ​​de luz está recubierta con un anti- película de reflexión Para el láser semiconductor de cavidad F-p (cavidad de Fabry-Perot), la cavidad F-p se puede formar fácilmente usando el plano de división natural del cristal perpendicular al plano de unión p-n.
3. Para formar una oscilación estable, el medio láser debe poder proporcionar una ganancia suficientemente grande para compensar la pérdida óptica causada por el resonador y la pérdida causada por la salida del láser desde la superficie de la cavidad, etc., y continuamente aumentar el campo óptico en la cavidad. Esto requiere una inyección de corriente lo suficientemente fuerte, es decir, hay suficiente inversión de población, cuanto mayor sea el grado de inversión de población, mayor será la ganancia obtenida, es decir, se debe cumplir una determinada condición de umbral de corriente. Cuando el láser alcanza el umbral, la luz con una longitud de onda específica puede resonar en la cavidad y amplificarse, y finalmente formar un láser y salir continuamente. Se puede ver que en los láseres semiconductores, la transición dipolar de electrones y huecos es el proceso básico de emisión y amplificación de luz. Para los nuevos láseres semiconductores, actualmente se reconoce que los pozos cuánticos son la fuerza impulsora fundamental para el desarrollo de los láseres semiconductores. La cuestión de si los cables cuánticos y los puntos cuánticos pueden aprovechar al máximo los efectos cuánticos se ha extendido hasta este siglo. Los científicos han intentado utilizar estructuras autoorganizadas para crear puntos cuánticos en diversos materiales, y los puntos cuánticos de GaInN se han utilizado en láseres semiconductores.

Historial de desarrollo de láseres semiconductores
losláseres semiconductoresde principios de la década de 1960 fueron los láseres de homounión, que eran diodos de unión pn fabricados en un material. Bajo la gran inyección de corriente directa, los electrones se inyectan continuamente en la región p y los huecos se inyectan continuamente en la región n. Por lo tanto, la inversión de la distribución de portadores se realiza en la región de empobrecimiento de la unión pn original. Dado que la velocidad de migración de los electrones es más rápida que la de los huecos, la radiación y la recombinación se producen en la región activa y se emite fluorescencia. láser, un láser semiconductor que solo puede funcionar en pulsos. La segunda etapa del desarrollo de los láseres semiconductores es el láser semiconductor de heteroestructura, que se compone de dos capas delgadas de materiales semiconductores con diferentes intervalos de banda, como GaAs y GaAlAs, y apareció por primera vez el láser de heteroestructura única (1969). El láser de inyección de heterounión simple (SHLD) está dentro de la región p de la unión GaAsP-N para reducir el umbral de densidad de corriente, que es un orden de magnitud más bajo que el del láser de homounión, pero el láser de heterounión simple aún no puede trabajar de forma continua en temperatura ambiente.
Desde finales de la década de 1970, los láseres semiconductores obviamente se han desarrollado en dos direcciones, una es un láser basado en información con el fin de transmitir información y la otra es un láser basado en potencia con el fin de aumentar la potencia óptica. Impulsado por aplicaciones tales como láseres de estado sólido bombeados, láseres de semiconductores de alta potencia (la potencia de salida continua de más de 100 mw y la potencia de salida de pulsos de más de 5 W pueden denominarse láseres de semiconductores de alta potencia).
En la década de 1990, se hizo un gran avance, que estuvo marcado por un aumento significativo en la potencia de salida de los láseres de semiconductores, la comercialización de láseres de semiconductores de alta potencia en el nivel de kilovatios en el extranjero y la salida de dispositivos de muestra domésticos que alcanzan los 600W. Desde la perspectiva de la expansión de la banda láser, los primeros láseres de semiconductores infrarrojos, seguidos por los láseres de semiconductores rojos de 670nm, fueron ampliamente utilizados. Luego, con la llegada de las longitudes de onda de 650nm y 635nm, los láseres semiconductores de luz azul-verde y azul también se desarrollaron con éxito uno tras otro. También se están desarrollando láseres semiconductores violetas e incluso ultravioletas del orden de 10 mW. Los láseres emisores de superficie y los láseres emisores de superficie de cavidad vertical se han desarrollado rápidamente a fines de la década de 1990 y se han considerado una variedad de aplicaciones en optoelectrónica superparalela. Los dispositivos de 980nm, 850nm y 780nm ya son prácticos en los sistemas ópticos. En la actualidad, los láseres emisores de superficie de cavidad vertical se han utilizado en redes de alta velocidad de Gigabit Ethernet.

Aplicaciones de los láseres semiconductores
Los láseres semiconductores son una clase de láseres que maduran antes y progresan más rápido. Debido a su amplio rango de longitud de onda, producción simple, bajo costo y fácil producción en masa, y debido a su pequeño tamaño, peso ligero y larga vida, tienen un rápido desarrollo en variedades y aplicaciones. Una amplia gama, actualmente más de 300 especies.

1. Aplicación en la industria y la tecnología
1) Comunicación por fibra óptica.láser semiconductores la única fuente de luz práctica para el sistema de comunicación de fibra óptica, y la comunicación de fibra óptica se ha convertido en la corriente principal de la tecnología de comunicación contemporánea.
2) Acceso al disco. Los láseres semiconductores se han utilizado en la memoria de disco óptico, y su mayor ventaja es que almacena una gran cantidad de información de sonido, texto e imagen. El uso de láseres azul y verde puede mejorar en gran medida la densidad de almacenamiento de los discos ópticos.
3) Análisis espectral. Los láseres semiconductores sintonizables de infrarrojo lejano se han utilizado en el análisis de gases ambientales, el control de la contaminación del aire, los gases de escape de los automóviles, etc. Se pueden utilizar en la industria para controlar el proceso de deposición de vapor.
4) Procesamiento de información óptica. Los láseres semiconductores se han utilizado en sistemas de información óptica. Los conjuntos bidimensionales de láseres semiconductores emisores de superficie son fuentes de luz ideales para los sistemas de procesamiento paralelo óptico, que se utilizarán en computadoras y redes neuronales ópticas.
5) Microfabricación láser. Con la ayuda de pulsos de luz ultracortos de alta energía generados por láseres semiconductores de conmutación Q, los circuitos integrados se pueden cortar, perforar, etc.
6) Alarma láser. Las alarmas láser de semiconductores se utilizan ampliamente, incluidas las alarmas antirrobo, las alarmas de nivel de agua, las alarmas de distancia entre vehículos, etc.
7) Impresoras láser. Los láseres semiconductores de alta potencia se han utilizado en impresoras láser. El uso de láseres azul y verde puede mejorar en gran medida la resolución y la velocidad de impresión.
8) Escáner de código de barras láser. Los escáneres de códigos de barras láser de semiconductores se han utilizado ampliamente en la venta de mercancías y en la gestión de libros y archivos.
9) Bombear láseres de estado sólido. Esta es una aplicación importante de los láseres semiconductores de alta potencia. Usarlo para reemplazar la lámpara de atmósfera original puede formar un sistema láser de estado sólido.
10) TV láser de alta definición. En un futuro cercano, se estima que los televisores láser semiconductores sin tubos de rayos catódicos, que utilizan láser rojo, azul y verde, consumirán un 20 por ciento menos de energía que los televisores existentes.

2. Aplicaciones en investigación médica y de ciencias de la vida
1) Cirugía láser.Láseres semiconductoresse han utilizado para la ablación de tejidos blandos, la unión de tejidos, la coagulación y la vaporización. Esta técnica es muy utilizada en cirugía general, cirugía plástica, dermatología, urología, obstetricia y ginecología, etc.
2) Terapia dinámica con láser. Las sustancias fotosensibles que tienen afinidad por el tumor se acumulan selectivamente en el tejido canceroso, y el tejido canceroso se irradia con un láser semiconductor para generar especies reactivas de oxígeno, con el objetivo de hacerlo necrótico sin dañar el tejido sano.
3) Investigación en ciencias de la vida. Utilizando las "pinzas ópticas" deláseres semiconductores, es posible capturar células vivas o cromosomas y moverlos a cualquier posición. Se ha utilizado para promover la síntesis celular y los estudios de interacción celular, y también se puede utilizar como tecnología de diagnóstico para la recopilación de pruebas forenses.