اصل کار و انواع اصلیلیزر نیمه هادی
نیمههادیدیودهای لیزریلیزرهای نیمههادی با راندمان بالا، کوچکسازی و تنوع طول موج، به طور گسترده به عنوان اجزای اصلی فناوری اپتوالکترونیک در زمینههایی مانند ارتباطات، مراقبتهای پزشکی و پردازش صنعتی مورد استفاده قرار میگیرند. این مقاله اصول کار و انواع لیزرهای نیمههادی را بیشتر معرفی میکند که برای اکثر محققان اپتوالکترونیک مرجع مناسبی است.
۱. اصل تابش نور لیزرهای نیمههادی
اصل لومینسانس لیزرهای نیمههادی بر اساس ساختار نواری، گذارهای الکترونیکی و گسیل القایی مواد نیمههادی است. مواد نیمههادی نوعی ماده با شکاف نواری هستند که شامل یک نوار ظرفیت و یک نوار رسانش میشود. وقتی ماده در حالت پایه است، الکترونها نوار ظرفیت را پر میکنند در حالی که هیچ الکترونی در نوار رسانش وجود ندارد. هنگامی که یک میدان الکتریکی خاص از خارج اعمال میشود یا جریانی تزریق میشود، برخی از الکترونها از نوار ظرفیت به نوار رسانش منتقل میشوند و جفتهای الکترون-حفره را تشکیل میدهند. در طول فرآیند آزادسازی انرژی، هنگامی که این جفتهای الکترون-حفره توسط دنیای خارج تحریک میشوند، فوتونها، یعنی لیزرها، تولید میشوند.
۲. روشهای تحریک لیزرهای نیمههادی
سه روش اصلی برای تحریک لیزرهای نیمههادی وجود دارد: تزریق الکتریکی، پمپ نوری و تحریک پرتو الکترونی پرانرژی.
لیزرهای نیمههادی تزریق الکتریکی: عموماً، آنها دیودهای اتصال سطحی نیمههادی هستند که از موادی مانند گالیوم آرسنید (GaAs)، کادمیوم سولفید (CdS)، ایندیوم فسفید (InP) و روی سولفید (ZnS) ساخته شدهاند. آنها با تزریق جریان در امتداد بایاس مستقیم تحریک میشوند و باعث ایجاد گسیل القایی در ناحیه صفحه اتصال میشوند.
لیزرهای نیمههادی با پمپ نوری: عموماً از تک بلورهای نیمههادی نوع N یا نوع P (مانند GaAS، InAs، InSb و غیره) به عنوان مادهی عامل استفاده میشود.لیزرساطع شده توسط لیزرهای دیگر به عنوان تحریک پمپ نوری استفاده میشود.
لیزرهای نیمههادی برانگیخته شده با پرتو الکترونی پرانرژی: عموماً، آنها نیز از تک بلورهای نیمههادی نوع N یا نوع P (مانند PbS، CdS، ZhO و غیره) به عنوان مادهی عامل استفاده میکنند و با تزریق یک پرتو الکترونی پرانرژی از بیرون برانگیخته میشوند. در میان دستگاههای لیزر نیمههادی، دستگاهی که عملکرد بهتر و کاربرد گستردهتری دارد، لیزر دیود GaAs با تزریق الکتریکی و ساختار ناهمگن دوگانه است.
۳. انواع اصلی لیزرهای نیمههادی
ناحیه فعال یک لیزر نیمهرسانا، ناحیه مرکزی برای تولید و تقویت فوتون است و ضخامت آن تنها چند میکرومتر است. ساختارهای موجبر داخلی برای محدود کردن انتشار جانبی فوتونها و افزایش چگالی انرژی (مانند موجبرهای برآمدگی و اتصالات ناهمگن مدفون) استفاده میشوند. این لیزر از طراحی سینک حرارتی استفاده میکند و مواد با رسانایی حرارتی بالا (مانند آلیاژ مس-تنگستن) را برای اتلاف سریع گرما انتخاب میکند که میتواند از رانش طول موج ناشی از گرمای بیش از حد جلوگیری کند. لیزرهای نیمهرسانا را میتوان بر اساس ساختار و سناریوهای کاربردی آنها به چهار دسته زیر طبقهبندی کرد:
لیزر گسیلنده از لبه (EEL)
لیزر از سطح شکاف در کنار تراشه خارج میشود و یک نقطه بیضوی (با زاویه واگرایی تقریباً 30 درجه × 10 درجه) تشکیل میدهد. طول موجهای معمول شامل 808 نانومتر (برای پمپاژ)، 980 نانومتر (برای ارتباطات) و 1550 نانومتر (برای ارتباطات فیبری) است. این لیزر به طور گسترده در برش صنعتی پرقدرت، منابع پمپاژ لیزر فیبری و شبکههای اصلی ارتباطات نوری استفاده میشود.
۲. لیزر نشر سطحی با حفره عمودی (VCSEL)
لیزر به صورت عمود بر سطح تراشه، با پرتوی دایرهای و متقارن (زاویه واگرایی <15°) ساطع میشود. این لیزر یک بازتابنده براگ توزیعشده (DBR) را در خود جای داده و نیاز به بازتابنده خارجی را از بین میبرد. این لیزر به طور گسترده در حسگرهای سهبعدی (مانند تشخیص چهره تلفن همراه)، ارتباطات نوری برد کوتاه (مراکز داده) و LiDAR استفاده میشود.
۳. لیزر آبشاری کوانتومی (QCL)
بر اساس گذار آبشاری الکترونها بین چاههای کوانتومی، طول موج، محدوده مادون قرمز میانی تا دور (3-30 میکرومتر) را پوشش میدهد، بدون نیاز به وارونگی جمعیت. فوتونها از طریق گذارهای بین زیرباند تولید میشوند و معمولاً در کاربردهایی مانند حسگری گاز (مانند تشخیص CO₂)، تصویربرداری تراهرتز و نظارت بر محیط زیست استفاده میشوند.
طراحی حفره خارجی لیزر قابل تنظیم (توری/منشور/آینه MEMS) میتواند به محدوده تنظیم طول موج ±50 نانومتر، با پهنای خط باریک (<100 کیلوهرتز) و نسبت رد حالت جانبی بالا (>50 دسیبل) دست یابد. این لیزر معمولاً در کاربردهایی مانند ارتباطات مالتیپلکسینگ تقسیم طول موج متراکم (DWDM)، آنالیز طیفی و تصویربرداری زیستپزشکی استفاده میشود. لیزرهای نیمهرسانا به طور گسترده در دستگاههای لیزر ارتباطی، دستگاههای ذخیرهسازی لیزری دیجیتال، تجهیزات پردازش لیزری، تجهیزات علامتگذاری و بستهبندی لیزری، حروفچینی و چاپ لیزری، تجهیزات پزشکی لیزری، ابزارهای تشخیص فاصله و موازیسازی لیزری، ابزارها و تجهیزات لیزری برای سرگرمی و آموزش، اجزا و قطعات لیزر و غیره استفاده میشوند. آنها به اجزای اصلی صنعت لیزر تعلق دارند. با توجه به طیف گسترده کاربردهای آن، برندها و تولیدکنندگان لیزر متعددی وجود دارند. هنگام انتخاب، باید بر اساس نیازهای خاص و زمینههای کاربردی باشد. تولیدکنندگان مختلف در زمینههای مختلف کاربردهای متفاوتی دارند و انتخاب تولیدکنندگان و لیزرها باید با توجه به زمینه کاربردی واقعی پروژه انجام شود.
زمان ارسال: نوامبر-05-2025