Laser bán dẫn là gì?

Kể từ khi phát minh ra laser bán dẫn đầu tiên trên thế giới vào năm 1962, laser bán dẫn đã có những thay đổi to lớn, thúc đẩy sự phát triển của khoa học và công nghệ khác, và được coi là một trong những phát minh vĩ đại nhất của con người trong thế kỷ XX. Trong mười năm qua, laser bán dẫn đã phát triển nhanh chóng hơn và trở thành công nghệ laser phát triển nhanh nhất trên thế giới. Phạm vi ứng dụng của laser bán dẫn bao gồm toàn bộ lĩnh vực quang điện tử và đã trở thành công nghệ cốt lõi của khoa học quang điện tử ngày nay. Do có ưu điểm là kích thước nhỏ, cấu tạo đơn giản, năng lượng đầu vào thấp, tuổi thọ cao, dễ điều chế và giá thành rẻ nên laser bán dẫn được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực quang điện tử và được các nước trên thế giới đánh giá cao.

laser bán dẫn
A laser bán dẫnlà một tia laser thu nhỏ sử dụng tiếp giáp Pn hoặc tiếp giáp Pin được cấu tạo từ vật liệu bán dẫn có khe cấm vùng cấm trực tiếp làm chất làm việc. Có hàng chục vật liệu làm việc bằng laser bán dẫn. Các vật liệu bán dẫn đã được chế tạo thành tia laze bao gồm arsenide gali, arsenide indium, indium antimonide, cadmium sulfide, cadmium telluride, chì selen, chì Telluride, nhôm gallium arsenide, indium Phosphorus, Arsenic, v.v. Có ba phương pháp kích thích chính của chất bán dẫn laser, cụ thể là loại tiêm điện, loại bơm quang và loại kích thích bằng chùm tia điện tử năng lượng cao. Phương pháp kích thích của hầu hết các laser bán dẫn là tiêm điện, tức là, một điện áp thuận được đặt vào điểm tiếp giáp Pn để tạo ra phát xạ kích thích trong vùng mặt phẳng tiếp giáp, tức là điốt phân cực thuận. Vì vậy, laser bán dẫn còn được gọi là điốt laser bán dẫn. Đối với chất bán dẫn, do các electron chuyển đổi giữa các dải năng lượng chứ không phải mức năng lượng rời rạc, năng lượng chuyển tiếp không phải là một giá trị xác định, điều này làm cho bước sóng đầu ra của laser bán dẫn trải rộng trên một phạm vi rộng. trên phạm vi. Bước sóng mà chúng phát ra nằm trong khoảng từ 0,3 đến 34 μm. Dải bước sóng được xác định bởi độ rộng vùng cấm năng lượng của vật liệu được sử dụng. Phổ biến nhất là laser dị liên kết đôi AlGaAs, có bước sóng đầu ra 750-890 nm.
Công nghệ chế tạo laze bán dẫn đã trải qua từ phương pháp khuếch tán đến epitaxy pha lỏng (LPE), epitaxy pha hơi (VPE), epitaxy chùm phân tử (MBE), phương pháp MOCVD (lắng đọng hơi hợp chất hữu cơ kim loại), epitaxy chùm tia hóa học (CBE)) và các kết hợp khác nhau của chúng. Nhược điểm lớn nhất của laser bán dẫn là hiệu suất laser bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ, góc phân kỳ của chùm tia lớn (thường từ vài độ đến 20 độ) nên tính định hướng, tính đơn sắc và tính liên kết kém. Tuy nhiên, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, việc nghiên cứu về laser bán dẫn ngày càng tiến bộ theo chiều sâu, hiệu suất của laser bán dẫn cũng không ngừng được nâng cao. Công nghệ quang điện tử bán dẫn với laser bán dẫn làm cốt lõi sẽ có những bước phát triển vượt bậc và đóng vai trò to lớn hơn trong xã hội thông tin của thế kỷ XXI.

Laser bán dẫn hoạt động như thế nào?
A laser bán dẫnlà một nguồn bức xạ kết hợp. Để làm cho nó phát ra ánh sáng laze, ba điều kiện cơ bản phải được đáp ứng:
1. Điều kiện thu được: Sự phân bố nghịch đảo của các sóng mang trong môi trường lase (vùng hoạt động) được thiết lập. Trong chất bán dẫn, dải năng lượng biểu thị năng lượng electron bao gồm một loạt các mức năng lượng gần với liên tục. Do đó, trong chất bán dẫn Để thực hiện được sự nghịch đảo quần thể, số electron ở đáy vùng dẫn của trạng thái năng lượng cao phải lớn hơn nhiều so với số lỗ trống ở đỉnh vùng hoá trị của năng lượng thấp. trạng thái giữa hai vùng dải năng lượng. Dị liên kết được phân cực thuận để đưa các hạt tải điện cần thiết vào lớp hoạt động để kích thích các điện tử từ vùng hóa trị có năng lượng thấp hơn đến vùng dẫn có năng lượng cao hơn. Sự phát xạ kích thích xảy ra khi một số lượng lớn các electron ở trạng thái đảo nghịch tổ hợp lại với các lỗ trống.
2. Để thực sự thu được bức xạ kích thích kết hợp, bức xạ kích thích phải được cấp lại nhiều lần trong bộ cộng hưởng quang để tạo thành dao động laze. Bộ cộng hưởng laze được hình thành bởi bề mặt phân cắt tự nhiên của tinh thể bán dẫn như một tấm gương, thường ở phần cuối không phát ra ánh sáng được phủ một màng điện môi nhiều lớp phản xạ cao và bề mặt phát sáng được phủ một lớp chống phim phản chiếu. Đối với laser bán dẫn khoang F-p (khoang Fabry-Perot), khoang F-p có thể dễ dàng hình thành bằng cách sử dụng mặt phẳng phân cắt tự nhiên của tinh thể vuông góc với mặt phẳng tiếp giáp p-n.
3. Để tạo ra một dao động ổn định, môi trường laser phải có khả năng cung cấp độ lợi đủ lớn để bù cho tổn thất quang do bộ cộng hưởng gây ra và tổn thất do tia laser phát ra từ bề mặt khoang, v.v., và liên tục. tăng quang trường trong khoang. Điều này đòi hỏi phải tiêm dòng điện đủ mạnh, tức là có đủ độ nghịch đảo quần thể, độ nghịch đảo quần thể càng cao thì độ lợi thu được càng lớn, tức là phải đáp ứng một điều kiện ngưỡng dòng điện nhất định. Khi tia laser đạt đến ngưỡng, ánh sáng có bước sóng cụ thể có thể cộng hưởng trong khoang và được khuếch đại, cuối cùng tạo thành tia laser và phát ra liên tục. Có thể thấy rằng trong laser bán dẫn, quá trình chuyển lưỡng cực của electron và lỗ trống là quá trình cơ bản của quá trình phát xạ ánh sáng và khuếch đại ánh sáng. Đối với laser bán dẫn mới, hiện nay người ta đã công nhận rằng giếng lượng tử là động lực cơ bản cho sự phát triển của laser bán dẫn. Liệu các dây lượng tử và chấm lượng tử có thể tận dụng hết các hiệu ứng lượng tử hay không đã được kéo dài đến thế kỷ này. Các nhà khoa học đã cố gắng sử dụng các cấu trúc tự tổ chức để tạo ra các chấm lượng tử trong các vật liệu khác nhau, và các chấm lượng tử GaInN đã được sử dụng trong laser bán dẫn.

Lịch sử phát triển của Laser bán dẫn
Cáclaser bán dẫnđầu những năm 1960 là laser đồng nhất, là các điốt tiếp giáp pn được chế tạo trên một vật liệu. Dưới sự tiêm dòng điện lớn về phía trước, các điện tử liên tục được đưa vào vùng p, và các lỗ trống liên tục được đưa vào vùng n. Do đó, sự đảo ngược của sự phân bố sóng mang được thực hiện trong vùng suy giảm tiếp giáp pn ban đầu. Vì tốc độ di chuyển của các điện tử nhanh hơn tốc độ của lỗ trống, nên trong vùng hoạt động xảy ra bức xạ và tái tổ hợp, và phát ra huỳnh quang. lase, một loại laser bán dẫn chỉ có thể hoạt động theo xung. Giai đoạn thứ hai của sự phát triển của laser bán dẫn là laser bán dẫn dị cấu trúc, bao gồm hai lớp vật liệu bán dẫn mỏng với các khoảng trống vùng khác nhau, chẳng hạn như GaAs và GaAlAs, và laser dị cấu trúc đơn lần đầu tiên xuất hiện (1969). Laser phun dị liên kết đơn (SHLD) nằm trong vùng p của điểm tiếp giáp GaAsP-N để giảm mật độ dòng ngưỡng, đây là bậc có cường độ thấp hơn so với laser đồng liên kết, nhưng laser dị liên kết đơn vẫn không thể làm việc liên tục tại nhiệt độ phòng.
Từ cuối những năm 1970, laser bán dẫn rõ ràng đã phát triển theo hai hướng, một là laser dựa trên thông tin nhằm mục đích truyền thông tin, hai là laser dựa trên công suất nhằm mục đích tăng công suất quang học. Được thúc đẩy bởi các ứng dụng như laser trạng thái rắn được bơm, laser bán dẫn công suất cao (công suất đầu ra liên tục hơn 100mw và công suất phát xung hơn 5W có thể được gọi là laser bán dẫn công suất cao).
Trong những năm 1990, một bước đột phá đã được thực hiện, được đánh dấu bằng sự gia tăng đáng kể công suất đầu ra của laser bán dẫn, thương mại hóa laser bán dẫn công suất cao ở cấp độ kilowatt ở nước ngoài và sản lượng của các thiết bị mẫu trong nước đạt 600W. Từ quan điểm của sự mở rộng dải laser, đầu tiên là laser bán dẫn hồng ngoại, tiếp theo là laser bán dẫn đỏ 670nm, đã được sử dụng rộng rãi. Sau đó, với sự ra đời của các bước sóng 650nm và 635nm, laser bán dẫn ánh sáng xanh lam và ánh sáng xanh lam cũng lần lượt được phát triển thành công. Tia laser bán dẫn màu tím và thậm chí tia cực tím có công suất 10mW cũng đang được phát triển. Laser phát xạ bề mặt và laser phát xạ bề mặt khoang dọc đã phát triển nhanh chóng vào cuối những năm 1990, và một loạt các ứng dụng trong quang điện tử siêu song song đã được xem xét. Các thiết bị 980nm, 850nm và 780nm đã thực tế trong các hệ thống quang học. Hiện tại, laser phát ra bề mặt khoang dọc đã được sử dụng trong mạng tốc độ cao Gigabit Ethernet.

Các ứng dụng của laser bán dẫn
Laser bán dẫn là một loại laser trưởng thành sớm hơn và tiến triển nhanh hơn. Do có dải bước sóng rộng, sản xuất đơn giản, chi phí thấp và dễ sản xuất hàng loạt, và vì kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và tuổi thọ cao nên chúng có sự phát triển nhanh chóng về giống và ứng dụng. Một phạm vi rộng, hiện có hơn 300 loài.

1. Ứng dụng trong công nghiệp và công nghệ
1) Truyền thông cáp quang.Laser bán dẫnlà nguồn sáng thiết thực duy nhất cho hệ thống thông tin liên lạc bằng sợi quang, và thông tin liên lạc bằng sợi quang đã trở thành xu hướng chủ đạo của công nghệ truyền thông đương đại.
2) Quyền truy cập đĩa. Laser bán dẫn đã được sử dụng trong bộ nhớ đĩa quang, và ưu điểm lớn nhất của nó là nó lưu trữ một lượng lớn thông tin âm thanh, văn bản và hình ảnh. Việc sử dụng tia laser xanh lam và xanh lục có thể cải thiện đáng kể mật độ lưu trữ của đĩa quang.
3) Phân tích quang phổ. Laser bán dẫn có thể điều chỉnh tia hồng ngoại xa đã được sử dụng trong phân tích khí xung quanh, giám sát ô nhiễm không khí, khí thải ô tô, v.v. Nó có thể được sử dụng trong công nghiệp để theo dõi quá trình lắng đọng hơi.
4) Xử lý thông tin quang học. Laser bán dẫn đã được sử dụng trong hệ thống thông tin quang học. Các mảng hai chiều của laser bán dẫn phát xạ bề mặt là nguồn sáng lý tưởng cho các hệ thống xử lý song song quang học, sẽ được sử dụng trong máy tính và mạng nơ-ron quang học.
5) Chế tạo vi laze. Với sự trợ giúp của các xung ánh sáng cực ngắn năng lượng cao được tạo ra bởi laser bán dẫn Q-switch, các mạch tích hợp có thể được cắt, đục lỗ, v.v.
6) Báo động bằng tia laze. Báo động bằng laser bán dẫn được sử dụng rộng rãi, bao gồm báo trộm, báo mức nước, báo khoảng cách xe cộ, v.v.
7) Máy in laser. Laser bán dẫn công suất cao đã được sử dụng trong máy in laser. Sử dụng tia laser xanh lam và xanh lục có thể cải thiện đáng kể tốc độ và độ phân giải in.
8) Máy quét mã vạch laser. Máy quét mã vạch laser bán dẫn đã được sử dụng rộng rãi trong việc bán hàng hóa, quản lý sổ sách và lưu trữ.
9) Bơm laser trạng thái rắn. Đây là một ứng dụng quan trọng của laser bán dẫn công suất cao. Sử dụng nó để thay thế đèn bầu khí quyển ban đầu có thể tạo thành một hệ thống laser ở trạng thái hoàn toàn rắn.
10) TV Laser độ nét cao. Trong tương lai gần, TV laser bán dẫn không có ống tia âm cực, sử dụng laser màu đỏ, xanh lam và xanh lục, được ước tính sẽ tiêu thụ điện năng ít hơn 20% so với TV hiện có.

2. Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học y tế và đời sống
1) Phẫu thuật laze.Laser bán dẫnđã được sử dụng để cắt bỏ mô mềm, liên kết mô, đông máu và hóa hơi. Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong phẫu thuật tổng quát, phẫu thuật thẩm mỹ, da liễu, tiết niệu, sản phụ khoa, v.v.
2) Liệu pháp động lực học bằng laser. Các chất cảm quang có ái lực với khối u được tích lũy một cách chọn lọc trong mô ung thư, và mô ung thư được chiếu xạ bằng tia laser bán dẫn để tạo ra các loại oxy phản ứng, nhằm mục đích làm cho nó bị hoại tử mà không làm tổn hại đến các mô khỏe mạnh.
3) Nghiên cứu khoa học sự sống. Sử dụng "nhíp quang học" củalaser bán dẫn, có thể bắt giữ các tế bào hoặc nhiễm sắc thể sống và di chuyển chúng đến bất kỳ vị trí nào. Nó đã được sử dụng để thúc đẩy tổng hợp tế bào và nghiên cứu tương tác tế bào, và cũng có thể được sử dụng như một công nghệ chẩn đoán để thu thập bằng chứng pháp y.