Desde la invención del primer láser semiconductor del mundo en 1962, los láseres semiconductores han experimentado enormes cambios, promoviendo en gran medida el desarrollo de otras ciencias y tecnologías, y se consideran uno de los mayores inventos humanos del siglo XX.
En las últimas décadas, el desarrollo de los láseres semiconductores ha sido aún más rápido, lo que los convierte en una de las tecnologías láser de más rápido crecimiento en el mundo.
La aplicación de 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 de los láseres semiconductores, ahora se utilizan ampliamente en el campo de la optoelectrónica y son muy valorados por países de todo el mundo.
El láser semiconductor es un láser miniaturizado con unión Pn o unión Pin compuesto de material semiconductor de banda directa como material de trabajo.
Hay docenas de sustancias semiconductoras para trabajar con láser, y los materiales semiconductores que se han procesado en láseres incluyen arseniuro de galio, arseniuro de indio, antimonuro de indio, sulfuro de cadmio, telururo de cadmio, seleniuro de plomo, telururo de plomo, arsénico de plomo, aluminio y arsénico de galio e indio. y fósforo, etc. .
Existen tres métodos principales de excitación para láseres semiconductores, a saber:
- Tipo de inyección eléctrica
- Tipo de bombeo ligero
- Tipo de excitación por haz de electrones de alta energía.
La mayoría de los láseres semiconductores se excitan mediante inyección eléctrica, lo que significa que se aplica un voltaje directo a la unión Pn para producir una emisión excitada en la región del plano de unión, que es un diodo polarizado directamente.
Por lo tanto, el láser semiconductor también se denomina diodo láser semiconductor.
En el caso de los semiconductores, dado que los electrones saltan entre bandas de energía y no entre niveles de energía discretos, la energía de salto no es un valor establecido, lo que hace que la longitud de onda de salida de los láseres semiconductores se extienda en un amplio rango.
Emiten longitudes de onda en el rango de 0,3 a 34 μm.
El rango de longitud de onda está determinado por la brecha de energía del material utilizado, y el más común es el láser de doble heterounión AlGaAs con una longitud de onda de salida de 750 a 890 nm.
Diagrama esquemático de la estructura del láser.
La tecnología de fabricación de láseres semiconductores ha pasado por diversos procesos, desde difusión hasta epitaxia en fase líquida (LPE), epitaxia en fase de vapor (VPE), epitaxia por haz molecular (MBE), método MOCVD (deposición de vapor de compuestos orgánicos metálicos), epitaxia por haz químico (CBE) y diversas combinaciones de los mismos.
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), lo que da como resultado una direccionalidad, monocromaticidad y coherencia deficientes.
Sin embargo, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la investigación sobre láseres semiconductores avanza en la dirección de la profundidad y el rendimiento de los láseres semiconductores mejora constantemente.
Los láseres semiconductores, como núcleo de la tecnología optoelectrónica de semiconductores en la sociedad de la información del siglo XXI, lograrán mayores avances y desempeñarán un papel más importante.
Principio de funcionamiento del láser semiconductor.
El láser semiconductor es una fuente de radiación coherente, para que pueda producir luz láser deben existir tres condiciones básicas:
1. Condición de ganancia
Para establecer la distribución de inversión de los portadores en el medio de excitación (región activa), la energía de los electrones en un semiconductor está representada por una serie de bandas de energía que consisten en una serie de niveles de energía casi continuos.
Por lo tanto, para lograr la inversión del número de partículas en semiconductores, es necesario estar entre dos regiones de la banda de energía.
El número de electrones en la parte inferior de la banda de conducción en el estado de mayor energía es mucho mayor que el número de huecos en la parte superior de la banda de valencia en el estado de menor energía. Esto se logra agregando polarización directa a la homounión o heterounión e inyectando los portadores necesarios en la capa activa para excitar electrones desde la banda de valencia de menor energía a la banda de conducción de mayor energía.
La emisión excitada ocurre cuando una gran cantidad de electrones en el estado de inversión del número de partículas se combinan con huecos.
2. Para obtener realmente la radiación estimulada correspondiente.
Para obtener retroalimentación múltiple y la formación de oscilaciones del láser, la radiación excitada debe introducirse en la cavidad resonante óptica.
La cavidad resonante de un láser se forma utilizando la solución superficial natural de un cristal semiconductor como reflector, típicamente con una película dieléctrica multicapa altamente reflectante en el extremo no emisor y una película parcialmente reflectante en el lado emisor.
En el caso de los láseres semiconductores de cavidad Fp (cavidad de Fabry-Perot), la cavidad Fp se puede formar fácilmente utilizando el plano de solución natural del cristal perpendicular al plano de unión pn.
3. Para formar oscilaciones estables, el medio láser debe poder proporcionar una ganancia suficientemente grande.
Para compensar la pérdida óptica causada por la cavidad resonante y la pérdida causada por la salida del láser desde la superficie de la cavidad, es necesario aumentar constantemente el campo óptico en la cavidad.
Esto requiere una inyección de corriente suficientemente fuerte, es decir, una inversión suficiente del número de partículas. Cuanto mayor sea el grado de inversión del número de partículas, mayor será la ganancia obtenida, por lo que es necesario cumplir una determinada condición límite de corriente.
Cuando el láser alcanza el valor umbral, la luz con una longitud de onda específica puede resonar en la cavidad y amplificarse, formando eventualmente un láser y produciendo continuamente.
Se puede observar que en los láseres semiconductores, el salto dipolar de electrones y huecos es el proceso básico de emisión y amplificación de la luz.
En el caso de los nuevos láseres semiconductores, ahora se reconoce que los pozos cuánticos son la fuerza impulsora fundamental para el desarrollo de los láseres semiconductores.
El tema de si los cables y puntos cuánticos pueden aprovechar al máximo los efectos cuánticos se ha extendido hasta este siglo, y los científicos han intentado crear puntos cuánticos en diversos materiales con estructuras autoorganizadas, mientras que los puntos cuánticos GaInN se han utilizado en semiconductores. láseres.
Historia de los láseres semiconductores.
Los láseres semiconductores se desarrollaron por primera vez a principios de la década de 1960 como láseres de unión homogénea, que eran diodos de unión p-n fabricados de un solo material. Cuando se sometió a una alta inyección de corriente continua, se inyectaron continuamente electrones en la región p y huecos en la región n, lo que resultó en una inversión de la distribución de portadores en la zona de agotamiento de la unión pn original. Debido a que la tasa de migración de electrones es más rápida que la tasa de migración de huecos, la emisión de radiación y partículas compuestas se produce en la zona activa, emitiendo fluorescencia y, bajo ciertas condiciones, se produce un láser semiconductor en forma de pulso.
La segunda etapa del desarrollo del láser semiconductor es el láser semiconductor de heteroestructura, que consta de dos capas delgadas de material semiconductor de diferente banda prohibida, como GaAs y GaAlAs. El primero de ellos fue un láser de heteroestructura única (1969). Láseres de inyección de heterounión única (SHLD) dentro de la zona p de la unión GaAsP-N para reducir la densidad de corriente límite, cuyo valor es un orden de magnitud menor que el de los láseres de homounión, pero los láseres de heterounión simples aún no pueden funcionar continuamente a temperatura ambiente.
Desde finales de los años 70, los láseres semiconductores se han desarrollado claramente en dos direcciones. Uno es el desarrollo de láseres basados en información con el fin de transmitir información, y el otro es el desarrollo de láseres basados en potencia con el fin de aumentar la potencia óptica. Esto ha sido impulsado por aplicaciones como los láseres de estado sólido bombeados y los láseres semiconductores de alta potencia (potencia de salida continua de 100 mW o más, potencia de salida pulsada de 5 W o más) que ahora se consideran láseres semiconductores de alta potencia.
En la década de 1990 se produjo un gran avance en la tecnología de láseres semiconductores, marcado por un aumento significativo en la potencia de salida de los láseres semiconductores. Se han comercializado láseres semiconductores de alta potencia de potencia de kilovatios y la producción de dispositivos de muestra nacionales ha alcanzado los 600 W. Las longitudes de onda del láser también se han expandido desde los láseres semiconductores infrarrojos hasta los láseres semiconductores rojos de 670 nm, seguidos de la introducción de longitudes de onda de láseres semiconductores de 650 nm, 635 nm, azul-verde y azul. También se han desarrollado con éxito láseres semiconductores violetas e incluso ultravioletas en una escala de 10 mW.
A finales de la década de 1990, se consideró el desarrollo de láseres de emisión superficial y láseres de emisión superficial de cavidad vertical para una variedad de aplicaciones en optoelectrónica ultraparalela. Los dispositivos de 980 nm, 850 nm y 780 nm se han vuelto prácticos en los sistemas ópticos. Actualmente, los láseres de emisión superficial de cavidad vertical se utilizan en redes de alta velocidad para Gigabit Ethernet.
Aplicaciones de los láseres semiconductores.
Los láseres semiconductores son una clase de láseres que han madurado antes y progresado más rápido debido a su amplio rango de longitudes de onda, producción simple, bajo costo, fácil producción en masa, tamaño pequeño, peso ligero y larga vida útil. Por ello, su desarrollo ha sido rápido y la gama de aplicaciones ya ha superado los 300 tipos.
1. Aplicación en industria y tecnología.
(1) Comunicación por fibra óptica:
Los láseres semiconductores son la única fuente de luz práctica para los sistemas de comunicación por fibra óptica, y la comunicación por fibra óptica se ha convertido en la corriente principal de la tecnología de comunicación contemporánea.
(2) Acceso al disco óptico:
Los láseres semiconductores se han utilizado para la memoria de discos ópticos y su mayor ventaja es la gran cantidad de información sonora, textual y gráfica almacenada. El uso de láseres azules y verdes puede mejorar enormemente la densidad de almacenamiento de los discos ópticos.
(3) Análisis espectral:
Los láseres semiconductores sintonizables de infrarrojo lejano se han utilizado para análisis de gases ambientales, monitoreo de smog, gases de escape de automóviles, etc. En la industria, se pueden utilizar para controlar el proceso de precipitación en fase de vapor.
(4) Procesamiento de información óptica:
Los láseres semiconductores se han utilizado en sistemas ópticos de gestión de información. Los conjuntos de láseres semiconductores de emisión superficial 2D son fuentes de luz ideales para sistemas de procesamiento óptico paralelo y se utilizarán en computadoras y redes neuronales ópticas.
(5) Microfabricación láser:
Los láseres semiconductores Q-switched producen trazas de luz ultracortas y de alta energía para cortar y perforar circuitos integrados.
(6) Alarma láser:
Las alarmas láser semiconductoras se utilizan para una amplia gama de aplicaciones, incluidas alarmas antirrobo, alarmas de nivel de agua, alarmas de distancia para automóviles, etc.
(7) Impresoras láser:
Se han utilizado láseres semiconductores de alta potencia en impresoras láser. El uso de láseres azules y verdes puede mejorar enormemente la velocidad y resolución de impresión.
(8) Lector de códigos de barras láser:
Los lectores de códigos de barras láser semiconductores se han utilizado ampliamente para la comercialización, así como para la gestión de libros y archivos.
(9) Láseres bombeados de estado sólido:
Esta es una aplicación importante de los láseres semiconductores de alta potencia; al usarlos para reemplazar la lámpara atmosférica original, puede constituir un sistema láser totalmente de estado sólido.
(10) TV láser de alta definición:
En un futuro próximo, podrían comercializarse televisores láser semiconductores sin tubos de rayos catódicos, que utilizan láseres rojos, azules y verdes y se estima que consumen un 20% menos de energía que los televisores existentes.
2. Aplicación en la investigación médica y de ciencias biológicas.
(1) Tratamiento de cirugía láser
Los láseres semiconductores se han utilizado para la escisión de tejidos blandos, unión de tejidos, coagulación y vaporización. Han sido ampliamente utilizados en cirugía general, cirugía plástica, dermatología, urología, obstetricia y ginecología.
(2) Tratamiento con láser cinético
Las sustancias fotosensibles con afinidad por los tumores se recolectan selectivamente de los tejidos cancerosos y se irradian mediante un láser semiconductor para producir especies reactivas de oxígeno en los tejidos cancerosos, apuntando a la necrosis sin causar daño a los tejidos sanos.
(3) Investigación en ciencias biológicas
El uso de “pinzas ópticas” de láser semiconductor, que pueden capturar células vivas o cromosomas y moverlos a cualquier ubicación, se ha utilizado para promover la síntesis celular, la interacción celular y otras investigaciones, así como una técnica de diagnóstico para la ciencia forense.
