Nguyên lý hoạt động và các loại chính củalaser bán dẫn
Bán dẫnĐiốt laserVới hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng thay đổi bước sóng, laser bán dẫn được sử dụng rộng rãi như các thành phần cốt lõi của công nghệ quang điện tử trong các lĩnh vực như truyền thông, chăm sóc y tế và xử lý công nghiệp. Bài viết này giới thiệu thêm về nguyên lý hoạt động và các loại laser bán dẫn, rất hữu ích cho việc lựa chọn tài liệu tham khảo của phần lớn các nhà nghiên cứu quang điện tử.
1. Nguyên lý phát quang của laser bán dẫn
Nguyên lý phát quang của laser bán dẫn dựa trên cấu trúc dải năng lượng, sự chuyển đổi điện tử và sự phát xạ kích thích của vật liệu bán dẫn. Vật liệu bán dẫn là loại vật liệu có khe năng lượng, bao gồm dải hóa trị và dải dẫn. Khi vật liệu ở trạng thái cơ bản, các electron lấp đầy dải hóa trị trong khi không có electron nào trong dải dẫn. Khi một điện trường nhất định được tác dụng từ bên ngoài hoặc một dòng điện được bơm vào, một số electron sẽ chuyển từ dải hóa trị lên dải 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 môi trường bên ngoài, các photon, tức là laser, sẽ được tạo ra.
2. Các phương pháp kích thích laser bán dẫn
Về cơ bản có ba phương pháp kích thích laser bán dẫn, đó là phương pháp bơm điện, phương pháp bơm quang và phương pháp kích thích bằng chùm electron năng lượng cao.
Laser bán dẫn kích thích bằng điện: Nhìn chung, chúng là các điốt bán dẫn tiếp giáp bề mặt được làm từ các vật liệu như gali arsenua (GaAs), cadmi sunfua (CdS), indi photphua (InP) và kẽm sunfua (ZnS). Chúng được kích thích bằng cách bơm dòng điện theo chiều thuận, tạo ra sự phát xạ kích thích trong vùng mặt phẳng tiếp giáp.
Laser bán dẫn kích thích quang học: Thông thường, 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 laserÁnh sáng phát ra từ các laser khác được sử dụng làm nguồn kích thích quang học.
Laser bán dẫn kích thích bằng chùm electron năng lượng cao: Nhìn chung, chúng cũng sử dụng tinh thể đơn bán dẫn loại N hoặc loại P (như PbS, CdS, ZhO, v.v.) làm chất làm việc và được kích thích bằng cách chiếu chùm electron năng lượng cao từ bên ngoài. Trong số các thiết bị laser bán dẫn, thiết bị có hiệu suất tốt hơn và ứng dụng rộng rãi hơn là laser diode GaAs kích thích điện với cấu trúc dị thể kép.
3. Các loại laser bán dẫn chính
Vùng hoạt động của laser bán dẫn là khu vực cốt lõi để tạo và khuếch đại photon, và độ dày của nó chỉ vài micromet. Các cấu trúc 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 dẫn sóng dạng gờ và các mối nối dị thể chìm). Laser sử dụng thiết kế tản nhiệt và lựa chọn các vật liệu có độ dẫn nhiệt cao (chẳng hạn như hợp kim đồng-vonfram) để tản nhiệt nhanh, có thể ngăn ngừa sự trôi lệch bước sóng do quá nhiệt. Theo cấu trúc và kịch bản 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 cắt trên cạnh 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 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 thẳng đứng (VCSEL)
Tia laser được phát ra vuông góc với bề mặt chip, tạo thành 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. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong cảm biến 3D (như nhận diện 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 thác của các electron giữa các giếng lượng tử, bước sóng bao phủ dải hồng ngoại trung bình đến xa (3-30 μm), mà không cần đảo ngược mật độ electron. Các photon được tạo ra thông qua các chuyển tiếp giữa các phân lớp và thường được sử dụng trong các ứng dụng như cảm biến khí (ví dụ như phát hiện CO₂), chụp ảnh terahertz và giám sát môi trường.
Thiết kế khoang ngoài của laser điều chỉnh được (cách tử/lăng kính/gương MEMS) có thể đạt được phạm vi điều chỉnh bước sóng ±50 nm, với độ rộng vạch hẹp (<100 kHz) và tỷ lệ loại bỏ chế độ phụ 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 quang 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 ấn laser, thiết bị y tế laser, dụng cụ đo khoảng cách và kiểm tra chuẩn trực laser, dụng cụ và thiết bị laser cho giải trí và giáo dục, linh kiện và phụ tùng laser, v.v. Chúng thuộc về các thành phần cốt lõi của ngành công nghiệp laser. Do phạm vi ứng dụng rộng rãi, có rất nhiều thương hiệu và nhà sản xuất laser. Khi 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 bài: 05/11/2025