Çalışma prensibi ve ana tipleriyarı iletken lazer
Yarı iletkenLazer diyotlarYüksek verimlilikleri, minyatürleştirmeleri ve dalga boyu çeşitliliği ile iletişim, tıbbi bakım ve endüstriyel işleme gibi alanlarda optoelektronik teknolojisinin temel bileşenleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu makale, optoelektronik araştırmacılarının çoğunluğu için referans kaynağı olabilecek yarı iletken lazerlerin çalışma prensibini ve türlerini daha ayrıntılı olarak ele almaktadır.
1. Yarı iletken lazerlerin ışık yayma prensibi
Yarı iletken lazerlerin lüminesans prensibi, yarı iletken malzemelerin bant yapısı, elektronik geçişleri ve uyarılmış emisyonuna dayanır. Yarı iletken malzemeler, bir değerlik bandı ve bir iletim bandı içeren bir bant aralığına sahip bir malzeme türüdür. Malzeme temel haldeyken, elektronlar değerlik bandını doldururken iletim bandında elektron yoktur. Belirli bir elektrik alanı dışarıdan uygulandığında veya akım verildiğinde, bazı elektronlar değerlik bandından iletim bandına geçerek elektron-delik çiftleri oluşturur. Enerji salınımı sürecinde, bu elektron-delik çiftleri dış dünya tarafından uyarıldığında, fotonlar, yani lazerler üretilir.
2. Yarı iletken lazerlerin uyarılma yöntemleri
Yarı iletken lazerler için temel olarak üç uyarma yöntemi vardır; elektriksel enjeksiyon tipi, optik pompa tipi ve yüksek enerjili elektron demeti uyarma tipi.
Elektriksel enjeksiyonlu yarı iletken lazerler: Genellikle galyum arsenit (GaAs), kadmiyum sülfür (CdS), indiyum fosfür (InP) ve çinko sülfür (ZnS) gibi malzemelerden yapılmış yarı iletken yüzey bağlantı diyotlarıdır. İleri besleme boyunca akım enjekte edilerek uyarılırlar ve bağlantı düzlemi bölgesinde uyarılmış emisyon oluştururlar.
Optik pompalı yarı iletken lazerler: Genellikle, çalışma maddesi olarak N tipi veya P tipi yarı iletken tek kristaller (GaAS, InAs, InSb vb. gibi) kullanılır velazerDiğer lazerler tarafından yayılan ışık, optik pompalı uyarım olarak kullanılır.
Yüksek enerjili elektron demeti uyarımlı yarı iletken lazerler: Genellikle, çalışma maddesi olarak N tipi veya P tipi yarı iletken tek kristaller (PbS, CdS, ZhO vb.) kullanırlar ve dışarıdan yüksek enerjili bir elektron demeti enjekte edilerek uyarılırlar. Yarı iletken lazer cihazları arasında, daha iyi performansa ve daha geniş uygulamaya sahip olanı, çift hetero yapıya sahip elektriksel enjeksiyonlu GaAs diyot lazeridir.
3. Yarı iletken lazerlerin ana türleri
Yarı iletken lazerin Aktif Bölgesi, foton üretimi ve amplifikasyonu için çekirdek bölgedir ve kalınlığı yalnızca birkaç mikrondur. Dahili dalga kılavuzu yapıları, fotonların yanal difüzyonunu sınırlamak ve enerji yoğunluğunu artırmak için kullanılır (sırt dalga kılavuzları ve gömülü heterojonksiyonlar gibi). Lazer, ısı emici bir tasarıma sahiptir ve aşırı ısınmanın neden olduğu dalga boyu kaymasını önleyebilen hızlı ısı dağılımı için yüksek ısıl iletkenliğe sahip malzemeler (bakır-tungsten alaşımı gibi) seçer. Yapılarına ve uygulama senaryolarına göre, yarı iletken lazerler aşağıdaki dört kategoriye ayrılabilir:
Kenar Yayan Lazer (EEL)
Lazer, çipin yan tarafındaki yarık yüzeyinden çıkar ve eliptik bir nokta oluşturur (yaklaşık 30°×10°'lik bir sapma açısına sahiptir). Tipik dalga boyları arasında 808 nm (pompalama için), 980 nm (iletişim için) ve 1550 nm (fiber iletişim için) bulunur. Yüksek güçlü endüstriyel kesimlerde, fiber lazer pompalama kaynaklarında ve optik iletişim omurga ağlarında yaygın olarak kullanılır.
2. Dikey Boşluk Yüzey Yayan Lazer (VCSEL)
Lazer, çipin yüzeyine dik olarak, dairesel ve simetrik bir ışınla (sapma açısı <15°) yayılır. Dağıtılmış bir Bragg reflektörü (DBR) ile entegre olduğundan, harici bir reflektöre ihtiyaç duyulmaz. 3B algılama (cep telefonu yüz tanıma gibi), kısa menzilli optik iletişim (veri merkezleri) ve LiDAR uygulamalarında yaygın olarak kullanılır.
3. Kuantum Basamaklı Lazer (QCL)
Elektronların kuantum kuyuları arasındaki kademeli geçişine dayanan dalga boyu, popülasyon ters çevirme işlemine gerek kalmadan orta-uzak kızılötesi aralığını (3-30 μm) kapsar. Fotonlar, alt bantlar arası geçişler yoluyla üretilir ve gaz algılama (CO₂ algılama gibi), terahertz görüntüleme ve çevresel izleme gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılır.
Ayarlanabilir lazerin dış boşluk tasarımı (ızgara/prizma/MEMS aynası), dar bir hat genişliği (<100 kHz) ve yüksek bir yan mod reddetme oranı (>50 dB) ile ±50 nm'lik bir dalga boyu ayarlama aralığına ulaşabilir. Yoğun dalga boyu bölmeli çoğullama (DWDM), iletişim, spektral analiz ve biyomedikal görüntüleme gibi uygulamalarda yaygın olarak kullanılır. Yarı iletken lazerler, iletişim lazer cihazlarında, dijital lazer depolama cihazlarında, lazer işleme ekipmanlarında, lazer markalama ve paketleme ekipmanlarında, lazer dizgi ve baskıda, lazer tıbbi ekipmanlarda, lazer mesafe ve kolimasyon algılama cihazlarında, eğlence ve eğitim amaçlı lazer aletleri ve ekipmanlarında, lazer bileşenleri ve parçalarında vb. yaygın olarak kullanılır. Lazer endüstrisinin temel bileşenlerindendir. Geniş uygulama yelpazesi nedeniyle çok sayıda lazer markası ve üreticisi bulunmaktadır. Seçim yaparken, belirli ihtiyaçlara ve uygulama alanlarına göre hareket edilmelidir. Farklı üreticilerin çeşitli alanlarda farklı uygulamaları vardır ve üretici ve lazer seçimi, projenin gerçek uygulama alanına göre yapılmalıdır.
Gönderim zamanı: 05-11-2025