Nguyên lý hoạt động và các loại chính củalaser bán dẫn
Chất bán dẫnĐiốt laserLaser bán dẫn, với hiệu suất cao, khả năng thu nhỏ và độ đa dạng bước sóng, được sử dụng rộng rãi làm thành phần cốt lõi của công nghệ quang điện tử trong các lĩnh vực như truyền thông, y tế và xử lý công nghiệp. Bài viết này giới thiệu thêm về nguyên lý hoạt động và các loại laser bán dẫn, thuận tiện cho việc tham khảo lựa chọn của phần lớn các nhà nghiên cứu quang điện tử.
1. Nguyên lý phát sáng của laser bán dẫn
Nguyên lý phát quang của laser bán dẫn dựa trên cấu trúc vùng cấm, các chuyển dịch điện tử và phát xạ kích thích của vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu có vùng cấm, bao gồm vùng hóa trị và vùng dẫn. Khi vật liệu ở trạng thái cơ bản, các electron sẽ lấp đầy vùng hóa trị trong khi không có electron nào trong vùng dẫn. Khi có một điện trường nhất định tác động từ bên ngoài hoặc một dòng điện được đưa vào, một số electron sẽ chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, tạo thành các cặp electron-lỗ trống. Trong quá trình giải phóng năng lượng, khi các cặp electron-lỗ trống này bị kích thích bởi thế giới bên ngoài, các photon, tức laser, sẽ được tạo ra.
2. Phương pháp kích thích của laser bán dẫn
Có ba phương pháp kích thích chính cho laser bán dẫn, đó là loại tiêm điện, loại bơm quang và loại kích thích chùm electron năng lượng cao.
Laser bán dẫn tiêm điện: Nhìn chung, chúng là diode tiếp giáp bề mặt bán dẫn được chế tạo từ các vật liệu như gali arsenide (GaAs), cadmium sulfide (CdS), indium phosphide (InP) và kẽm sulfide (ZnS). Chúng được kích thích bằng cách tiêm dòng điện dọc theo phân cực thuận, tạo ra phát xạ kích thích trong vùng mặt phẳng tiếp giáp.
Laser bán dẫn bơm quang học: Nói chung, các tinh thể đơn bán dẫn loại N hoặc loại P (như GaAS, InAs, InSb, v.v.) được sử dụng làm chất làm việc vàtia laserphát ra bởi các tia laser khác được sử dụng làm nguồn kích thích bơm quang học.
Laser bán dẫn kích thích bằng chùm electron năng lượng cao: Nhìn chung, chúng cũng sử dụng tinh thể bán dẫn loại N hoặc loại P (như PbS, CdS, ZhO, v.v.) làm vật liệu hoạt động và được kích thích bằng cách tiêm chùm electron năng lượng cao từ bên ngoài. Trong số các thiết bị laser bán dẫn, laser diode GaAs tiêm điện với cấu trúc dị thể kép có hiệu suất tốt hơn và ứng dụng rộng rãi hơn.
3. Các loại laser bán dẫn chính
Vùng hoạt động của laser bán dẫn là vùng lõi để tạo ra và khuếch đại photon, với độ dày chỉ vài micromet. Cấu trúc ống dẫn sóng bên trong được sử dụng để hạn chế sự khuếch tán ngang của photon và tăng mật độ năng lượng (chẳng hạn như ống dẫn sóng gờ và tiếp giáp dị thể chôn). Laser sử dụng thiết kế tản nhiệt và lựa chọn vật liệu có độ dẫn nhiệt cao (như hợp kim đồng-vonfram) để tản nhiệt nhanh, giúp ngăn ngừa sự trôi bước sóng do quá nhiệt. Theo cấu trúc và ứng dụng, laser bán dẫn có thể được phân loại thành bốn loại sau:
Laser phát xạ cạnh (EEL)
Tia laser được phát ra từ bề mặt phân cắt ở mặt bên của chip, tạo thành một điểm hình elip (với góc phân kỳ khoảng 30°×10°). Các bước sóng điển hình bao gồm 808nm (để bơm), 980 nm (để truyền thông) và 1550 nm (để truyền thông sợi quang). Nó được sử dụng rộng rãi trong các máy cắt công nghiệp công suất cao, nguồn bơm laser sợi quang và mạng xương sống truyền thông quang học.
2. Laser phát xạ bề mặt khoang dọc (VCSEL)
Tia laser được phát ra vuông góc với bề mặt chip, với chùm tia tròn và đối xứng (góc phân kỳ <15°). Nó tích hợp bộ phản xạ Bragg phân tán (DBR), loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ phản xạ bên ngoài. Nó được sử dụng rộng rãi trong cảm biến 3D (chẳng hạn như nhận dạng khuôn mặt trên điện thoại di động), truyền thông quang tầm ngắn (trung tâm dữ liệu) và LiDAR.
3. Laser thác lượng tử (QCL)
Dựa trên sự chuyển tiếp tầng của các electron giữa các giếng lượng tử, bước sóng bao phủ phạm vi hồng ngoại từ trung bình đến xa (3-30 μm), mà không cần đảo ngược mật độ. Các photon được tạo ra thông qua các chuyển tiếp liên dải con và thường được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến khí (chẳng hạn như phát hiện CO₂), chụp ảnh terahertz và giám sát môi trường.
Thiết kế khoang ngoài của laser có thể điều chỉnh (cách tử/lăng kính/gương MEMS) có thể đạt được phạm vi điều chỉnh bước sóng ±50 nm, với độ rộng vạch phổ hẹp (<100 kHz) và tỷ lệ loại bỏ chế độ bên cao (>50 dB). Nó thường được sử dụng trong các ứng dụng như truyền thông ghép kênh phân chia bước sóng dày đặc (DWDM), phân tích phổ và hình ảnh y sinh. Laser bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị laser truyền thông, thiết bị lưu trữ laser kỹ thuật số, thiết bị xử lý laser, thiết bị đánh dấu và đóng gói laser, sắp chữ và in laser, thiết bị y tế laser, thiết bị phát hiện khoảng cách và chuẩn trực laser, thiết bị và thiết bị laser cho giải trí và giáo dục, linh kiện và bộ phận laser, v.v. Chúng thuộc về các thành phần cốt lõi của ngành công nghiệp laser. Do phạm vi ứng dụng rộng rãi của nó, có rất nhiều thương hiệu và nhà sản xuất laser. Khi đưa ra lựa chọn, cần dựa trên nhu cầu cụ thể và lĩnh vực ứng dụng. Các nhà sản xuất khác nhau có các ứng dụng khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau và việc lựa chọn nhà sản xuất và laser nên được thực hiện theo lĩnh vực ứng dụng thực tế của dự án.
Thời gian đăng: 05-11-2025