Desde a invenção do primeiro laser semicondutor do mundo em 1962, os lasers semicondutores passaram por enormes mudanças, promovendo grandemente o desenvolvimento de outras ciências e tecnologias, e são considerados uma das maiores invenções humanas do século XX.
Nas últimas décadas, o desenvolvimento de lasers semicondutores foi ainda mais rápido, tornando-os uma das tecnologias de laser de crescimento mais rápido no mundo.
A aplicação de lasers semicondutores cobre todo o campo da optoeletrônica e se tornou a tecnologia central da ciência optoeletrônica hoje.
Devido às vantagens do tamanho pequeno, estrutura simples, baixa energia de entrada, longa vida, fácil modulação e baixo preço dos lasers semicondutores, eles são agora amplamente utilizados na área de optoeletrônica e são altamente valorizados por países ao redor do mundo.
O laser semicondutor é um laser miniaturizado com junção Pn ou junção Pin composto de material semicondutor de banda direta como material de trabalho.
Existem dezenas de substâncias de trabalho de laser semicondutor, e os materiais semicondutores que foram transformados em lasers incluem arsenieto de gálio, arsenieto de índio, antimoneto de índio, sulfeto de cádmio, telureto de cádmio, seleneto de chumbo, telureto de chumbo, arsênico de alumínio e gálio, arsênico de índio e fósforo, etc. .
Existem três métodos principais de excitação para lasers semicondutores, ou seja:
- Tipo de injeção elétrica
- Tipo de bombeamento leve
- Tipo de excitação por feixe de elétrons de alta energia
A maioria dos lasers semicondutores são excitados por injeção elétrica, o que significa que uma tensão direta é aplicada à junção Pn para produzir emissão excitada na região do plano de junção, que é um diodo polarizado diretamente.
Portanto, o laser semicondutor também é chamado de diodo laser semicondutor.
Para semicondutores, uma vez que os elétrons saltam entre bandas de energia e não entre níveis de energia discretos, a energia de salto não é um valor definido, o que faz com que o comprimento de onda de saída dos lasers semicondutores se espalhe por uma ampla faixa.
Eles emitem comprimentos de onda na faixa de 0,3 a 34 μm.
A faixa de comprimento de onda é determinada pelo gap de energia do material utilizado, e o mais comum é o laser de dupla heterojunção AlGaAs com comprimento de onda de saída de 750 a 890 nm.
Diagrama esquemático da estrutura do laser
A tecnologia de fabricação de lasers semicondutores passou por vários processos, desde difusão até epitaxia em fase líquida (LPE), epitaxia em fase de vapor (VPE), epitaxia por feixe molecular (MBE), método MOCVD (deposição de vapor de compostos orgânicos metálicos), epitaxia por feixe químico (CBE ) e várias combinações deles.
A maior desvantagem dos lasers semicondutores é que o desempenho do laser é muito afetado pela temperatura e o ângulo de divergência do feixe é grande (geralmente entre alguns graus e 20 graus), o que resulta em baixa direcionalidade, monocromaticidade e coerência.
No entanto, com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a pesquisa sobre lasers semicondutores está avançando na direção da profundidade, e o desempenho dos lasers semicondutores está melhorando constantemente.
Os lasers semicondutores, como núcleo da tecnologia optoeletrônica de semicondutores na sociedade da informação do século XXI, farão maior progresso e desempenharão um papel mais importante.
Princípio de funcionamento do laser semicondutor
O laser semicondutor é uma fonte de radiação coerente, para que possa produzir luz laser, devem existir três condições básicas:
1. Ganhe condição
Para estabelecer a distribuição de inversão dos portadores no meio de excitação (região ativa), a energia do elétron em um semicondutor é representada por uma série de bandas de energia que consistem em uma série de níveis de energia quase contínuos.
Portanto, para conseguir a inversão do número de partículas em semicondutores, é necessário estar entre duas regiões da banda de energia.
O número de elétrons na parte inferior da banda de condução no estado de energia mais alta é muito maior do que o número de lacunas no topo da banda de valência no estado de energia mais baixa. Isto é conseguido adicionando polarização direta à homojunção ou heterojunção e injetando os transportadores necessários na camada ativa para excitar os elétrons da banda de valência de energia mais baixa para a banda de condução de energia mais alta.
A emissão excitada ocorre quando um grande número de elétrons no estado de reversão do número de partículas se combina com buracos.
2. Para realmente obter a radiação estimulada relevante
Para obter feedback múltiplo e a formação de oscilação do laser, a radiação excitada deve ser feita na cavidade ressonante óptica.
A cavidade ressonante de um laser é formada usando a solução de superfície natural de um cristal semicondutor como refletor, normalmente com um filme dielétrico multicamadas altamente reflexivo na extremidade não emissora e um filme parcialmente reflexivo no lado emissor.
No caso dos lasers semicondutores de cavidade Fp (cavidade de Fabry-Perot), a cavidade Fp pode ser facilmente formada usando o plano de solução natural do cristal perpendicular ao plano de junção pn.
3. Para formar oscilações estáveis, o meio laser deve ser capaz de fornecer um ganho grande o suficiente
Para compensar a perda óptica causada pela cavidade ressonante e a perda causada pela saída do laser da superfície da cavidade, é necessário aumentar constantemente o campo óptico na cavidade.
Isto requer uma injeção de corrente suficientemente forte, isto é, reversão suficiente do número de partículas. Quanto maior o grau de reversão do número de partículas, maior será o ganho obtido, por isso é necessário atender a uma determinada condição limite de corrente.
Quando o laser atinge o valor limite, a luz com um comprimento de onda específico pode ressoar na cavidade e ser amplificada, eventualmente formando um laser e produzindo continuamente.
Pode-se observar que em lasers semicondutores, o salto dipolo de elétrons e buracos é o processo básico de emissão e amplificação de luz.
Para novos lasers semicondutores, reconhece-se agora que os poços quânticos são a força motriz fundamental para o desenvolvimento de lasers semicondutores.
O tópico sobre se os fios quânticos e os pontos quânticos podem aproveitar ao máximo os efeitos quânticos foi estendido até este século, e os cientistas tentaram fazer pontos quânticos em vários materiais com estruturas auto-organizadas, enquanto os pontos quânticos GaInN foram usados em lasers semicondutores .
História dos lasers semicondutores
Os lasers semicondutores foram desenvolvidos pela primeira vez no início da década de 1960 como lasers de junção homogênea, que eram diodos de junção pn feitos em um único material. Quando submetidos a uma injeção de alta corrente direta, os elétrons foram continuamente injetados na região p, e os buracos foram continuamente injetados na região n, resultando em uma reversão da distribuição de portadores na zona de depleção da junção pn original. Como a taxa de migração de elétrons é mais rápida que a taxa de migração de buracos, a emissão de radiação e partículas compostas ocorre na zona ativa, emitindo fluorescência e, sob certas condições, ocorre um laser semicondutor em forma de pulso.
O segundo estágio do desenvolvimento do laser semicondutor é o laser semicondutor de heteroestrutura, que consiste em duas camadas finas de material semicondutor de bandgap diferentes, como GaAs e GaAlAs. O primeiro deles foi um laser de heteroestrutura única (1969). Lasers de injeção de heterojunção única (SHLD) dentro da zona p da junção GaAsP-N para reduzir a densidade de corrente limite, cujo valor é uma ordem de grandeza inferior ao dos lasers de homojunção, mas os lasers de heterojunção única ainda não podem operar continuamente na sala temperatura.
Desde o final da década de 1970, os lasers semicondutores desenvolveram-se claramente em duas direções. Um é o desenvolvimento de lasers baseados em informação com a finalidade de transmitir informações, e o outro é o desenvolvimento de lasers baseados em potência com a finalidade de aumentar a potência óptica. Isso foi impulsionado por aplicações como lasers de estado sólido bombeados e lasers semicondutores de alta potência (potência de saída contínua de 100 mw ou mais, potência de saída pulsada de 5 W ou mais) agora são considerados lasers semicondutores de alta potência.
Na década de 1990, houve um avanço na tecnologia de laser semicondutor, marcado por um aumento significativo na potência de saída dos lasers semicondutores. Lasers semicondutores de alta potência da classe quilowatt foram comercializados e a produção de dispositivos de amostra domésticos atingiu 600W. Os comprimentos de onda do laser também se expandiram de lasers semicondutores infravermelhos para lasers semicondutores vermelhos de 670 nm, seguidos pela introdução de comprimentos de onda de lasers semicondutores de 650 nm, 635 nm, azul-verde e azul. Lasers semicondutores violeta e até mesmo ultravioleta em escala de 10mW também foram desenvolvidos com sucesso.
No final da década de 1990, o desenvolvimento de lasers emissores de superfície e lasers emissores de superfície de cavidades verticais foi considerado para uma variedade de aplicações em optoeletrônica ultraparalela. Dispositivos em 980 nm, 850 nm e 780 nm tornaram-se práticos em sistemas ópticos. Atualmente, lasers emissores de superfície de cavidade vertical são usados em redes de alta velocidade para Ethernet gigabit.
Aplicações de lasers semicondutores
Os lasers semicondutores são uma classe de lasers que amadureceram mais cedo e progrediram mais rapidamente devido à sua ampla faixa de comprimento de onda, produção simples, baixo custo, fácil produção em massa, tamanho pequeno, peso leve e longa vida útil. Portanto, seu desenvolvimento tem sido rápido e a gama de aplicações já ultrapassou 300 tipos.
1. Aplicação na indústria e tecnologia
(1) Comunicação de fibra óptica:
Os lasers semicondutores são a única fonte de luz prática para sistemas de comunicação de fibra óptica, e a comunicação de fibra óptica tornou-se a corrente principal da tecnologia de comunicação contemporânea.
(2) Acesso ao disco óptico:
Lasers semicondutores têm sido usados para memória de disco óptico e sua maior vantagem é a grande quantidade de som, texto e informações gráficas armazenadas. O uso de lasers azuis e verdes pode melhorar muito a densidade de armazenamento dos discos ópticos.
(3) Análise espectral:
Lasers semicondutores sintonizáveis de infravermelho distante têm sido usados para análise de gases ambientais, monitoramento de poluição atmosférica, exaustão de automóveis, etc. Na indústria, podem ser usados para monitorar o processo de precipitação em fase de vapor.
(4) Processamento óptico de informações:
Lasers semicondutores têm sido usados em sistemas de gerenciamento de informações ópticas. Matrizes 2D de laser semicondutor de emissão de superfície são fontes de luz ideais para sistemas de processamento óptico paralelo e serão usadas em computadores e redes neurais ópticas.
(5) Microfabricação a laser:
Os lasers semicondutores Q-switched produzem traços de luz ultracurtos de alta energia para corte e perfuração de circuitos integrados.
(6) Alarme laser:
Alarmes de laser semicondutores são usados para uma ampla gama de aplicações, incluindo alarmes contra roubo, alarmes de nível de água, alarmes de distância de carros, etc.
(7) Impressoras a laser:
Lasers semicondutores de alta potência têm sido usados em impressoras a laser. O uso de lasers azuis e verdes pode melhorar muito a velocidade e a resolução da impressão.
(8) Leitor de código de barras a laser:
Leitores de código de barras a laser semicondutores têm sido amplamente utilizados para merchandising, bem como para gerenciamento de livros e arquivos.
(9) Lasers de estado sólido bombeados:
Esta é uma aplicação importante de lasers semicondutores de alta potência, usando-os para substituir a lâmpada atmosférica original, pode constituir um sistema de laser totalmente em estado sólido.
(10) TV a laser de alta definição:
Num futuro próximo, poderão ser colocadas no mercado TVs a laser semicondutores sem tubos de raios catódicos, que utilizam lasers vermelho, azul e verde e estima-se que consumam 20% menos energia do que os aparelhos de TV existentes.
2. Aplicação em pesquisas médicas e de ciências biológicas
(1) Tratamento de cirurgia a laser
Lasers semicondutores têm sido usados para excisão de tecidos moles, união de tecidos, coagulação e vaporização. Eles têm sido amplamente utilizados em cirurgia geral, cirurgia plástica, dermatologia, urologia, obstetrícia e ginecologia.
(2) Tratamento cinético a laser
Substâncias fotossensíveis com afinidade por tumores são coletadas seletivamente em tecidos cancerosos e irradiadas por um laser semicondutor para produzir espécies reativas de oxigênio em tecidos cancerosos, visando a necrose sem causar danos aos tecidos saudáveis.
(3) Pesquisa em ciências da vida
O uso de “pinças ópticas” de laser semicondutor, que podem capturar células vivas ou cromossomos e movê-los para qualquer local, tem sido usado para promover a síntese celular, a interação celular e outras pesquisas, bem como uma técnica de diagnóstico para a ciência forense.
