Princíp fungovania a hlavné typypolovodičový laser
PolovodičLaserové diódyVďaka svojej vysokej účinnosti, miniaturizácii a rozmanitosti vlnových dĺžok sa široko používajú ako základné komponenty optoelektronickej technológie v oblastiach, ako je komunikácia, lekárska starostlivosť a priemyselné spracovanie. Tento článok ďalej predstavuje princíp fungovania a typy polovodičových laserov, čo je výhodné pre výber pre väčšinu výskumníkov v oblasti optoelektroniky.
1. Princíp vyžarovania svetla polovodičových laserov
Princíp luminiscencie polovodičových laserov je založený na pásmovej štruktúre, elektrónových prechodoch a stimulovanej emisii polovodičových materiálov. Polovodičové materiály sú typom materiálu s pásmovou medzerou, ktorá zahŕňa valenčné pásmo a vodivostné pásmo. Keď je materiál v základnom stave, elektróny vypĺňajú valenčné pásmo, zatiaľ čo vo vodivostnom pásme nie sú žiadne elektróny. Keď sa naň aplikuje určité elektrické pole zvonku alebo sa vstrekne prúd, niektoré elektróny prejdú z valenčného pásma do vodivostného pásma a vytvoria elektrónovo-dierové páry. Počas procesu uvoľňovania energie, keď sú tieto elektrónovo-dierové páry stimulované vonkajším svetom, vznikajú fotóny, teda lasery.
2. Metódy excitácie polovodičových laserov
Pre polovodičové lasery existujú hlavne tri metódy excitácie, a to typ elektrickej injekcie, typ optickej pumpy a typ excitácie vysokoenergetickým elektrónovým lúčom.
Elektricky injektované polovodičové lasery: Vo všeobecnosti ide o polovodičové diódy s povrchovým prechodom vyrobené z materiálov, ako je arzenid gália (GaAs), sulfid kademnatý (CdS), fosfid india (InP) a sulfid zinočnatý (ZnS). Sú budené injektovaním prúdu pozdĺž priameho predpätia, čím sa generuje stimulovaná emisia v oblasti roviny prechodu.
Opticky čerpané polovodičové lasery: Ako pracovná látka sa vo všeobecnosti používajú polovodičové monokryštály typu N alebo P (ako napríklad GaAS, InAs, InSb atď.) alaserako opticky čerpaná excitácia sa používa žiarenie vyžarované inými lasermi.
Polovodičové lasery budené vysokoenergetickým elektrónovým lúčom: Vo všeobecnosti používajú ako pracovnú látku polovodičové monokryštály typu N alebo P (ako napríklad PbS, CdS, ZhO atď.) a sú budené vstrekovaním vysokoenergetického elektrónového lúča zvonku. Spomedzi polovodičových laserových zariadení má lepší výkon a širšie uplatnenie elektricky vstrekovaný GaAs diódový laser s dvojitou heterostruktúrou.
3. Hlavné typy polovodičových laserov
Aktívna oblasť polovodičového laseru je jadrom pre generovanie a zosilňovanie fotónov a jej hrúbka je len niekoľko mikrometrov. Vnútorné štruktúry vlnovodov sa používajú na obmedzenie laterálnej difúzie fotónov a zvýšenie hustoty energie (ako sú hrebeňové vlnovody a zakopané heteroprechody). Laser využíva dizajn chladiča a pre rýchly odvod tepla sú použité materiály s vysokou tepelnou vodivosťou (ako napríklad zliatina medi a volfrámu), čo môže zabrániť posunu vlnovej dĺžky spôsobenému prehriatím. Podľa ich štruktúry a aplikačných scenárov možno polovodičové lasery rozdeliť do nasledujúcich štyroch kategórií:
Laser s okrajovým vyžarovaním (EEL)
Laser vychádza z štiepnej plochy na boku čipu a vytvára eliptický bod (s uhlom divergencie približne 30° × 10°). Typické vlnové dĺžky zahŕňajú 808 nm (pre čerpanie), 980 nm (pre komunikáciu) a 1550 nm (pre optickú komunikáciu). Široko sa používa pri vysokovýkonnom priemyselnom rezaní, zdrojoch čerpania vláknovým laserom a v optických komunikačných sieťach.
2. Laser s vertikálnou dutinou a povrchovým vyžarovaním (VCSEL)
Laser je vyžarovaný kolmo na povrch čipu s kruhovým a symetrickým lúčom (uhol divergencie <15°). Integruje distribuovaný Braggov reflektor (DBR), čím eliminuje potrebu externého reflektora. Široko sa používa v 3D snímaní (napríklad rozpoznávanie tvárí mobilnými telefónmi), optickej komunikácii s krátkym dosahom (dátové centrá) a LiDAR.
3. Kvantový kaskádový laser (QCL)
Vďaka kaskádovému prechodu elektrónov medzi kvantovými jamami vlnová dĺžka pokrýva stredný až vzdialený infračervený rozsah (3 – 30 μm) bez potreby inverzie populácie. Fotóny sa generujú prostredníctvom medzipásmových prechodov a bežne sa používajú v aplikáciách, ako je snímanie plynov (napríklad detekcia CO₂), terahertzové zobrazovanie a monitorovanie životného prostredia.
Laditeľný laser s vonkajšou dutinou (mriežka/hranol/MEMS zrkadlo) dokáže dosiahnuť rozsah ladenia vlnovej dĺžky ±50 nm s úzkou šírkou čiary (<100 kHz) a vysokým pomerom potlačenia bočných módov (>50 dB). Bežne sa používa v aplikáciách, ako je komunikácia s hustým vlnovým delením multiplexom (DWDM), spektrálna analýza a biomedicínske zobrazovanie. Polovodičové lasery sa široko používajú v komunikačných laserových zariadeniach, digitálnych laserových pamäťových zariadeniach, laserových spracovateľských zariadeniach, laserových značkovacích a baliacich zariadeniach, laserovej sadzbe a tlači, laserových lekárskych zariadeniach, laserových prístrojoch na detekciu vzdialenosti a kolimácie, laserových prístrojoch a zariadeniach pre zábavu a vzdelávanie, laserových komponentoch a súčiastkach atď. Patria medzi základné komponenty laserového priemyslu. Vďaka širokej škále aplikácií existuje množstvo značiek a výrobcov laserov. Pri výbere by sa malo vychádzať zo špecifických potrieb a oblastí použitia. Rôzni výrobcovia majú rôzne aplikácie v rôznych oblastiach a výber výrobcov a laserov by sa mal vykonať podľa skutočnej oblasti použitia projektu.
Čas uverejnenia: 05.11.2025