Princip fungování a hlavní typypolovodičový laser
PolovodičLaserové diodyDíky své vysoké účinnosti, miniaturizaci a vlnové délce se široce používají jako základní komponenty optoelektronické technologie v oblastech, jako je komunikace, lékařská péče a průmyslové zpracování. Tento článek dále představuje princip fungování a typy polovodičových laserů, což je výhodné pro výběr většiny optoelektronických výzkumníků.
1. Princip emise světla u polovodičových laserů
Princip luminiscence polovodičových laserů je založen na pásové struktuře, elektronových přechodech a stimulované emisi polovodičových materiálů. Polovodičové materiály jsou typem materiálu s pásmovou mezerou, která zahrnuje valenční pásmo a vodivostní pásmo. Když je materiál v základním stavu, elektrony zaplňují valenční pásmo, zatímco ve vodivostním pásmu nejsou žádné elektrony. Když je zvenčí aplikováno určité elektrické pole nebo je vstříknut proud, některé elektrony přejdou z valenčního pásma do vodivostního pásma a vytvoří elektron-děrové páry. Během procesu uvolňování energie, když jsou tyto elektron-děrové páry stimulovány vnějším světem, vznikají fotony, tj. lasery.
2. Metody excitace polovodičových laserů
Existují tři hlavní metody excitace polovodičových laserů, a to typ elektrické injekce, typ optické pumpy a typ excitace vysokoenergetickým elektronovým svazkem.
Elektricky injektované polovodičové lasery: Obecně se jedná o polovodičové diody s povrchovým spojem vyrobené z materiálů, jako je arsenid galia (GaAs), sulfid kademnatý (CdS), fosfid india (InP) a sulfid zinečnatý (ZnS). Jsou buzeny injektováním proudu podél propustného napětí, čímž generují stimulovanou emisi v oblasti roviny spoje.
Opticky buzené polovodičové lasery: Jako pracovní látka se obecně používají polovodičové monokrystaly typu N nebo P (jako například GaAS, InAs, InSb atd.) alaseremitované jinými lasery se používá jako opticky buzená excitace.
Polovodičové lasery buzené vysokoenergetickým elektronovým svazkem: Obecně také používají jako pracovní látku polovodičové monokrystaly typu N nebo P (jako je PbS, CdS, ZhO atd.) a jsou buzeny vstřikováním vysokoenergetického elektronového svazku zvenčí. Mezi polovodičovými laserovými zařízeními má lepší výkon a širší uplatnění elektricky vstřikovaný GaAs diodový laser s dvojitou heterostrukturou.
3. Hlavní typy polovodičových laserů
Aktivní oblast polovodičového laseru je jádrem pro generování a zesilování fotonů a její tloušťka je pouze několik mikrometrů. Vnitřní struktury vlnovodů (jako jsou hřebenové vlnovody a zakopané heteropřechody) se používají k omezení laterální difúze fotonů a ke zvýšení hustoty energie. Laser využívá konstrukci s chladičem a pro rychlý odvod tepla jsou vybrány materiály s vysokou tepelnou vodivostí (jako je slitina mědi a wolframu), což může zabránit driftu vlnové délky způsobenému přehřátím. Podle jejich struktury a aplikačních scénářů lze polovodičové lasery rozdělit do následujících čtyř kategorií:
Laser s okrajovým vyzařováním (EEL)
Laser vychází z štěpného povrchu na straně čipu a vytváří eliptický bod (s úhlem divergence přibližně 30°×10°). Typické vlnové délky zahrnují 808 nm (pro čerpání), 980 nm (pro komunikaci) a 1550 nm (pro optickou komunikaci). Je široce používán ve vysoce výkonném průmyslovém řezání, zdrojích čerpání vláknových laserů a páteřních sítích optické komunikace.
2. Laser s vertikální dutinou a povrchovým vyzařováním (VCSEL)
Laser je vyzařován kolmo na povrch čipu s kruhovým a symetrickým paprskem (úhel divergence <15°). Obsahuje integrovaný distribuovaný Braggův reflektor (DBR), čímž eliminuje potřebu externího reflektoru. Je široce používán v 3D snímání (například rozpoznávání obličejů mobilními telefony), optické komunikaci na krátkou vzdálenost (datová centra) a LiDAR.
3. Kvantový kaskádový laser (QCL)
Díky kaskádovému přechodu elektronů mezi kvantovými jámami pokrývá vlnová délka střední až vzdálenou infračervenou oblast (3–30 μm) bez nutnosti inverze populace. Fotony jsou generovány mezipásmovými přechody a běžně se používají v aplikacích, jako je snímání plynů (například detekce CO₂), terahertzové zobrazování a monitorování životního prostředí.
Laditelný laser s vnější dutinou (mřížka/hranol/MEMS zrcadlo) dokáže dosáhnout rozsahu ladění vlnové délky ±50 nm s úzkou šířkou čáry (<100 kHz) a vysokým potlačením postranních módů (>50 dB). Běžně se používá v aplikacích, jako je komunikace s hustým vlnovým multiplexováním (DWDM), spektrální analýza a biomedicínské zobrazování. Polovodičové lasery se široce používají v komunikačních laserových zařízeních, digitálních laserových paměťových zařízeních, laserových procesních zařízeních, laserových značkovacích a balicích zařízeních, laserové sazbě a tisku, laserových lékařských zařízeních, laserových přístrojích pro detekci vzdálenosti a kolimace, laserových přístrojích a zařízeních pro zábavu a vzdělávání, laserových součástkách a dílech atd. Patří mezi klíčové komponenty laserového průmyslu. Vzhledem k široké škále použití existuje mnoho značek a výrobců laserů. Při výběru by se mělo vycházet ze specifických potřeb a oblastí použití. Různí výrobci mají v různých oblastech různá uplatnění a výběr výrobců a laserů by se měl provádět podle skutečné oblasti použití projektu.
Čas zveřejnění: 5. listopadu 2025