Çalışma prensibi ve ana tipleriyarı iletken lazer
YarıiletkenLazer diyotlarYüksek verimlilikleri, minyatürleştirilmeleri ve dalga boyu çeşitlilikleri sayesinde, iletişim, sağlık ve endüstriyel işleme gibi alanlarda optoelektronik teknolojisinin temel bileşenleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadırlar. Bu makale, yarı iletken lazerlerin çalışma prensibini ve türlerini daha ayrıntılı olarak tanıtarak, optoelektronik araştırmacılarının büyük çoğunluğu için seçim referansı niteliği taşımaktadır.
1. Yarıiletken lazerlerin ışık yayma prensibi
Yarı iletken lazerlerin lüminesans prensibi, yarı iletken malzemelerin bant yapısı, elektronik geçişleri ve uyarılmış emisyonuna dayanmaktadır. Yarı iletken malzemeler, değerlik bandı ve iletim bandı içeren bir bant aralığına sahip bir malzeme türüdür. Malzeme temel haldeyken, elektronlar değerlik bandını doldururken iletim bandında elektron bulunmaz. Dışarıdan belirli bir elektrik alanı uygulandığında veya bir akım enjekte edildiğinde, 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. Yarıiletken lazerlerin uyarılma yöntemleri
Yarı iletken lazerler için başlıca üç uyarı yöntemi vardır: elektriksel enjeksiyon tipi, optik pompa tipi ve yüksek enerjili elektron ışını uyarı tipi.
Elektrikle enjekte edilen yarı iletken lazerler: Genellikle galyum arsenit (GaAs), kadmiyum sülfür (CdS), indiyum fosfit (InP) ve çinko sülfür (ZnS) gibi malzemelerden yapılmış yarı iletken yüzey birleşim diyotlarıdır. İleri yönlü polarizasyon boyunca akım enjekte edilerek uyarılırlar ve birleşim düzlemi bölgesinde uyarılmış emisyon üretirler.
Optik olarak pompalanan yarı iletken lazerler: Genellikle, çalışma maddesi olarak N tipi veya P tipi yarı iletken tek kristaller (örneğin GaAs, InAs, InSb, vb.) kullanılır velazerDiğer lazerler tarafından yayılan ışın, optik olarak pompalanan uyarıcı olarak kullanılır.
Yüksek enerjili elektron ışınıyla uyarılan yarı iletken lazerler: Genellikle, bunlar da çalışma maddesi olarak N tipi veya P tipi yarı iletken tek kristaller (örneğin PbS, CdS, ZhO, vb.) kullanır ve dışarıdan yüksek enerjili bir elektron ışını enjekte edilerek uyarılırlar. Yarı iletken lazer cihazları arasında, daha iyi performansa ve daha geniş uygulama alanına sahip olanı, çift heteroyapılı elektriksel olarak enjekte edilen GaAs diyot lazeridir.
3. Yarıiletken lazerlerin ana türleri
Yarı iletken lazerin aktif bölgesi, foton üretimi ve yükseltilmesi için çekirdek alandır ve kalınlığı sadece birkaç mikrometredir. Fotonların yanal difüzyonunu sınırlamak ve enerji yoğunluğunu artırmak için iç dalga kılavuzu yapıları kullanılır (örneğin, oluklu dalga kılavuzları ve gömülü heterojunctionlar). Lazer, hızlı ısı dağılımı için ısı emici bir tasarım benimser ve yüksek termal iletkenliğe sahip malzemeler (örneğin, bakır-tungsten alaşımı) seçer; bu da aşırı ısınmadan kaynaklanan dalga boyu kaymasını önleyebilir. Yapılarına ve uygulama senaryolarına göre, yarı iletken lazerler aşağıdaki dört kategoriye ayrılabilir:
Kenardan Yayılan Lazer (EEL)
Lazer ışını, çipin yan tarafındaki kesme yüzeyinden çıkarak elips şeklinde bir nokta oluşturur (yaklaşık 30°×10°'lik bir sapma açısıyla). Tipik dalga boyları arasında 808 nm (pompalama için), 980 nm (iletişim için) ve 1550 nm (fiber iletişim için) bulunur. Yüksek güçlü endüstriyel kesimde, fiber lazer pompalama kaynaklarında ve optik iletişim omurga ağlarında yaygın olarak kullanılır.
2. Dikey Boşluklu Yüzeyden Yayılan Lazer (VCSEL)
Lazer ışını, çip yüzeyine dik olarak, dairesel ve simetrik bir ışın (sapma açısı <15°) ile yayılır. Dağıtılmış Bragg reflektörünü (DBR) entegre ederek harici bir reflektöre olan ihtiyacı ortadan kaldırır. 3D algılama (örneğin cep telefonu yüz tanıma), kısa mesafeli optik iletişim (veri merkezleri) ve LiDAR'da yaygın olarak kullanılır.
3. Kuantum Basamaklı Lazer (QCL)
Kuantum kuyuları arasındaki elektronların kademeli geçişine dayanarak, dalga boyu, popülasyon inversiyonuna gerek kalmadan orta-uzak kızılötesi aralığını (3-30 μm) kapsar. Fotonlar, alt bantlar arası geçişler yoluyla üretilir ve genellikle gaz algılama (örneğin CO₂ tespiti), terahertz görüntüleme ve çevre izleme gibi uygulamalarda kullanılır.
Ayarlanabilir lazerin harici boşluk tasarımı (ızgara/prizma/MEMS ayna), ±50 nm'lik bir dalga boyu ayarlama aralığı, dar bir çizgi genişliği (<100 kHz) ve yüksek bir yan mod reddetme oranı (>50 dB) elde edebilir. Genellikle yoğun dalga boyu bölmeli çoklama (DWDM) iletişimi, spektral analiz ve biyomedikal görüntüleme gibi uygulamalarda kullanılır. Yarı iletken lazerler, iletişim lazer cihazları, dijital lazer depolama cihazları, lazer işleme ekipmanları, lazer markalama ve paketleme ekipmanları, lazer dizgi ve baskı, lazer tıbbi ekipmanları, lazer mesafe ve kolimasyon algılama cihazları, eğlence ve eğitim için lazer aletleri ve ekipmanları, lazer bileşenleri ve parçaları vb. alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Lazer endüstrisinin temel bileşenlerindendirler. Geniş uygulama yelpazesi nedeniyle, çok sayıda lazer markası ve üreticisi bulunmaktadır. Seçim yapılırken, belirli ihtiyaçlara ve uygulama alanlarına göre karar verilmelidir. Farklı üreticilerin çeşitli alanlarda farklı uygulamaları vardır ve üretici ve lazer seçimi, projenin gerçek uygulama alanına göre yapılmalıdır.
Yayın tarihi: 05-11-2025