Pengetahuan profesional

Apa itu laser semikonduktor?

2022-01-13
Sejak penemuan laser semikonduktor pertama di dunia pada tahun 1962, laser semikonduktor telah mengalami perubahan yang luar biasa, sangat mendorong pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi lainnya, dan dianggap sebagai salah satu penemuan manusia terbesar di abad kedua puluh. Dalam sepuluh tahun terakhir, laser semikonduktor telah berkembang lebih pesat dan menjadi teknologi laser yang paling cepat berkembang di dunia. Rentang aplikasi laser semikonduktor mencakup seluruh bidang optoelektronika dan telah menjadi teknologi inti dari ilmu optoelektronika saat ini. Karena keunggulan ukuran kecil, struktur sederhana, energi input rendah, umur panjang, modulasi mudah dan harga murah, laser semikonduktor banyak digunakan di bidang optoelektronika dan sangat dihargai oleh negara-negara di seluruh dunia.

laser semikonduktor
A laser semikonduktoradalah laser mini yang menggunakan sambungan Pn atau sambungan Pin yang terdiri dari bahan semikonduktor celah pita langsung sebagai bahan kerjanya. Ada lusinan bahan kerja laser semikonduktor. Bahan semikonduktor yang telah dibuat menjadi laser antara lain gallium arsenide, indium arsenide, indium antimonide, cadmium sulfide, cadmium telluride, lead selenide, lead telluride, aluminium gallium arsenide, indium Phosphorus, Arsenic, dll. Ada tiga metode eksitasi utama semikonduktor laser, yaitu tipe injeksi elektrik, tipe pompa optik, dan tipe eksitasi berkas elektron energi tinggi. Metode eksitasi sebagian besar laser semikonduktor adalah injeksi listrik, yaitu, tegangan maju diterapkan ke sambungan Pn untuk menghasilkan emisi terstimulasi di wilayah bidang sambungan, yaitu dioda bias maju. Oleh karena itu, laser semikonduktor juga disebut dioda laser semikonduktor. Untuk semikonduktor, karena transisi elektron antara pita energi daripada tingkat energi diskrit, energi transisi bukanlah nilai yang pasti, yang membuat panjang gelombang keluaran laser semikonduktor tersebar pada rentang yang luas. pada kisaran. Panjang gelombang yang mereka pancarkan adalah antara 0,3 dan 34 m. Rentang panjang gelombang ditentukan oleh celah pita energi bahan yang digunakan. Yang paling umum adalah laser heterojungsi ganda AlGaAs, yang memiliki panjang gelombang keluaran 750-890 nm.
Teknologi fabrikasi laser semikonduktor telah berpengalaman mulai dari metode difusi hingga epitaksi fase cair (LPE), epitaksi fase uap (VPE), epitaksi berkas molekul (MBE), metode MOCVD (deposisi uap senyawa organik logam), epitaksi berkas kimia (CBE) ) dan berbagai kombinasinya. Kerugian terbesar dari laser semikonduktor adalah bahwa kinerja laser sangat dipengaruhi oleh suhu, dan sudut divergensi sinar besar (umumnya antara beberapa derajat dan 20 derajat), sehingga buruk dalam directivity, monokromatisitas dan koherensi. Namun, dengan perkembangan pesat ilmu pengetahuan dan teknologi, penelitian laser semikonduktor maju ke arah kedalaman, dan kinerja laser semikonduktor terus meningkat. Teknologi optoelektronik semikonduktor dengan laser semikonduktor sebagai intinya akan membuat kemajuan yang lebih besar dan memainkan peran yang lebih besar dalam masyarakat informasi abad ke-21.

Bagaimana laser semikonduktor bekerja?
A laser semikonduktormerupakan sumber radiasi yang koheren. Untuk membuatnya menghasilkan sinar laser, tiga kondisi dasar harus dipenuhi:
1. Kondisi penguatan: Distribusi inversi pembawa di media penguat (wilayah aktif) ditetapkan. Dalam semikonduktor, pita energi yang mewakili energi elektron terdiri dari serangkaian tingkat energi yang mendekati kontinu. Oleh karena itu, dalam semikonduktor Untuk mencapai inversi populasi, jumlah elektron di bagian bawah pita konduksi dari keadaan energi tinggi harus jauh lebih besar daripada jumlah lubang di bagian atas pita valensi energi rendah. keadaan antara dua daerah pita energi. Heterojungsi dibias maju untuk menyuntikkan pembawa yang diperlukan ke dalam lapisan aktif untuk mengeksitasi elektron dari pita valensi dengan energi lebih rendah ke pita konduksi dengan energi lebih tinggi. Emisi terstimulasi terjadi ketika sejumlah besar elektron dalam keadaan inversi populasi bergabung kembali dengan lubang.
2. Untuk benar-benar mendapatkan radiasi terstimulasi yang koheren, radiasi terstimulasi harus diumpankan kembali beberapa kali dalam resonator optik untuk membentuk osilasi laser. Resonator laser dibentuk oleh permukaan pembelahan alami dari kristal semikonduktor sebagai cermin, biasanya di Ujung yang tidak memancarkan cahaya dilapisi dengan film dielektrik multilayer refleksi tinggi, dan permukaan pemancar cahaya dilapisi dengan anti- film refleksi. Untuk laser semikonduktor rongga F-p (rongga Fabry-Perot), rongga F-p dapat dengan mudah dibentuk dengan menggunakan bidang pembelahan alami kristal yang tegak lurus terhadap bidang sambungan p-n.
3. Untuk membentuk osilasi yang stabil, media laser harus mampu memberikan penguatan yang cukup besar untuk mengkompensasi kerugian optik yang disebabkan oleh resonator dan kerugian yang disebabkan oleh keluaran laser dari permukaan rongga, dll., dan terus menerus meningkatkan bidang optik di rongga. Hal ini membutuhkan injeksi arus yang cukup kuat, yaitu inversi populasi cukup, semakin tinggi derajat inversi populasi, semakin besar gain yang diperoleh, yaitu kondisi ambang arus tertentu harus dipenuhi. Ketika laser mencapai ambang, cahaya dengan panjang gelombang tertentu dapat beresonansi di rongga dan diperkuat, dan akhirnya membentuk laser dan output terus menerus. Dapat dilihat bahwa dalam laser semikonduktor, transisi dipol elektron dan hole adalah proses dasar emisi cahaya dan amplifikasi cahaya. Untuk laser semikonduktor baru, saat ini diakui bahwa sumur kuantum adalah kekuatan pendorong mendasar untuk pengembangan laser semikonduktor. Apakah kabel kuantum dan titik kuantum dapat memanfaatkan sepenuhnya efek kuantum telah diperluas hingga abad ini. Para ilmuwan telah mencoba menggunakan struktur yang diatur sendiri untuk membuat titik-titik kuantum dalam berbagai bahan, dan titik-titik kuantum GaInN telah digunakan dalam laser semikonduktor.

Sejarah Perkembangan Laser Semikonduktor
Itulaser semikonduktorawal 1960-an adalah laser homojunction, yang merupakan dioda sambungan pn yang dibuat pada satu bahan. Di bawah injeksi arus besar maju, elektron terus disuntikkan ke daerah p, dan lubang terus disuntikkan ke daerah n. Oleh karena itu, inversi dari distribusi pembawa diwujudkan dalam daerah deplesi pn junction asli. Karena kecepatan migrasi elektron lebih cepat daripada lubang, radiasi dan rekombinasi terjadi di wilayah aktif, dan fluoresensi dipancarkan. lasing, laser semikonduktor yang hanya dapat bekerja dalam pulsa. Tahap kedua pengembangan laser semikonduktor adalah laser semikonduktor heterostruktur, yang terdiri dari dua lapisan tipis bahan semikonduktor dengan celah pita yang berbeda, seperti GaAs dan GaAlAs, dan laser heterostruktur tunggal pertama kali muncul (1969). Laser injeksi heterojungsi tunggal (SHLD) berada dalam wilayah p sambungan GaAsP-N untuk mengurangi kerapatan arus ambang, yang merupakan urutan besarnya lebih rendah daripada laser sambungan homo, tetapi laser sambungan tunggal masih tidak dapat bekerja terus menerus pada suhu kamar.
Sejak akhir 1970-an, laser semikonduktor jelas telah berkembang dalam dua arah, satu adalah laser berbasis informasi untuk tujuan mentransmisikan informasi, dan yang lainnya adalah laser berbasis daya untuk tujuan meningkatkan daya optik. Didorong oleh aplikasi seperti laser solid-state yang dipompa, laser semikonduktor daya tinggi (daya keluaran kontinu lebih dari 100mw dan daya keluaran pulsa lebih dari 5W dapat disebut laser semikonduktor daya tinggi).
Pada 1990-an, terobosan dibuat, yang ditandai dengan peningkatan signifikan dalam daya keluaran laser semikonduktor, komersialisasi laser semikonduktor daya tinggi di tingkat kilowatt di luar negeri, dan output perangkat sampel domestik mencapai 600W. Dari perspektif perluasan pita laser, laser semikonduktor inframerah pertama, diikuti oleh laser semikonduktor merah 670nm, banyak digunakan. Kemudian, dengan munculnya panjang gelombang 650nm dan 635nm, laser semikonduktor biru-hijau dan cahaya biru juga berhasil dikembangkan satu demi satu. Violet dan bahkan laser semikonduktor ultraviolet dengan urutan 10mW juga sedang dikembangkan. Laser pemancar permukaan dan laser pemancar permukaan rongga vertikal telah berkembang pesat di akhir 1990-an, dan berbagai aplikasi dalam optoelektronik super-paralel telah dipertimbangkan. Perangkat 980nm, 850nm, dan 780nm sudah praktis dalam sistem optik. Saat ini, laser pemancar permukaan rongga vertikal telah digunakan dalam jaringan Gigabit Ethernet berkecepatan tinggi.

Aplikasi laser semikonduktor
Laser semikonduktor adalah kelas laser yang matang lebih awal dan berkembang lebih cepat. Karena rentang panjang gelombang yang lebar, produksi sederhana, biaya rendah, dan produksi massal yang mudah, dan karena ukurannya yang kecil, ringan, dan umur panjang, mereka memiliki perkembangan pesat dalam varietas dan aplikasi. Beragam, saat ini lebih dari 300 spesies.

1. Aplikasi dalam industri dan teknologi
1) Komunikasi serat optik.Laser semikonduktoradalah satu-satunya sumber cahaya praktis untuk sistem komunikasi serat optik, dan komunikasi serat optik telah menjadi arus utama teknologi komunikasi kontemporer.
2) Akses disk. Laser semikonduktor telah digunakan dalam memori disk optik, dan keuntungan terbesarnya adalah menyimpan sejumlah besar informasi suara, teks, dan gambar. Penggunaan laser biru dan hijau dapat sangat meningkatkan kepadatan penyimpanan cakram optik.
3) Analisis spektral. Laser semikonduktor merdu inframerah-jauh telah digunakan dalam analisis gas ambien, pemantauan polusi udara, knalpot mobil, dll. Ini dapat digunakan dalam industri untuk memantau proses pengendapan uap.
4) Pemrosesan informasi optik. Laser semikonduktor telah digunakan dalam sistem informasi optik. Array dua dimensi laser semikonduktor pemancar permukaan adalah sumber cahaya yang ideal untuk sistem pemrosesan paralel optik, yang akan digunakan di komputer dan jaringan saraf optik.
5) Mikrofabrikasi laser. Dengan bantuan pulsa cahaya ultra-pendek berenergi tinggi yang dihasilkan oleh laser semikonduktor Q-switched, sirkuit terpadu dapat dipotong, dilubangi, dll.
6) Alarm laser. Alarm laser semikonduktor banyak digunakan, termasuk alarm pencuri, alarm ketinggian air, alarm jarak kendaraan, dll.
7) printer laser. Laser semikonduktor daya tinggi telah digunakan dalam printer laser. Menggunakan laser biru dan hijau dapat sangat meningkatkan kecepatan dan resolusi pencetakan.
8) Pemindai kode batang laser. Pemindai kode batang laser semikonduktor telah banyak digunakan dalam penjualan barang, dan pengelolaan buku dan arsip.
9) Pompa laser solid-state. Ini adalah aplikasi penting dari laser semikonduktor daya tinggi. Menggunakannya untuk menggantikan lampu atmosfer asli dapat membentuk sistem laser serba padat.
10) TV Laser Definisi Tinggi. Dalam waktu dekat, TV laser semikonduktor tanpa tabung sinar katoda, yang menggunakan laser merah, biru, dan hijau, diperkirakan mengonsumsi daya 20 persen lebih sedikit daripada TV yang ada.

2. Aplikasi dalam penelitian medis dan ilmu kehidupan
1) Operasi laser.Laser semikonduktortelah digunakan untuk ablasi jaringan lunak, ikatan jaringan, koagulasi dan penguapan. Teknik ini banyak digunakan dalam bedah umum, bedah plastik, dermatologi, urologi, obstetri dan ginekologi, dll.
2) Terapi dinamis laser. Substansi fotosensitif yang memiliki afinitas terhadap tumor secara selektif terakumulasi dalam jaringan kanker, dan jaringan kanker disinari dengan laser semikonduktor untuk menghasilkan spesies oksigen reaktif, yang bertujuan untuk membuatnya nekrotik tanpa merusak jaringan yang sehat.
3) Penelitian ilmu kehidupan. Menggunakan "pinset optik" darilaser semikonduktor, dimungkinkan untuk menangkap sel atau kromosom hidup dan memindahkannya ke posisi apa pun. Ini telah digunakan untuk mempromosikan sintesis sel dan studi interaksi sel, dan juga dapat digunakan sebagai teknologi diagnostik untuk pengumpulan bukti forensik.