láser semiconductor

Un láser semiconductor es un láser miniaturizado que utiliza una unión Pn o unión Pin compuesta de un material semiconductor de banda prohibida directa como sustancia de trabajo. Hay docenas de materiales de trabajo de láser semiconductor. Los materiales semiconductores que se han convertido en láseres incluyen arseniuro de galio, arseniuro de indio, antimoniuro de indio, sulfuro de cadmio, telururo de cadmio, seleniuro de plomo, telururo de plomo, arseniuro de galio y aluminio, fósforo de indio, arsénico, etc. Existen tres métodos principales de excitación de semiconductores. láseres, a saber, del tipo de inyección eléctrica, del tipo de bomba óptica y del tipo de excitación por haz de electrones de alta energía. El método de excitación de la mayoría de los láseres semiconductores es la inyección eléctrica, es decir, se aplica un voltaje directo a la unión Pn para generar una emisión estimulada en la región del plano de unión, es decir, un diodo polarizado directamente. Por lo tanto, los láseres semiconductores también se denominan diodos láser semiconductores. Para los semiconductores, dado que los electrones hacen la transición entre bandas de energía en lugar de niveles de energía discretos, la energía de transición no es un valor definido, lo que hace que la longitud de onda de salida de los láseres de semiconductores se extienda en un amplio rango. en el rango. Las longitudes de onda que emiten están entre 0,3 y 34 μm. El rango de longitud de onda está determinado por la brecha de banda de energía del material utilizado. El más común es el láser de doble heterounión AlGaAs, que tiene una longitud de onda de salida de 750-890 nm.

La tecnología de fabricación de láser semiconductor ha experimentado desde el método de difusión hasta la epitaxia en fase líquida (LPE), la epitaxia en fase de vapor (VPE), la epitaxia de haz molecular (MBE), el método MOCVD (deposición de vapor de compuestos orgánicos metálicos), la epitaxia de haz químico (CBE)) y varias combinaciones de ellos. La mayor desventaja de los láseres semiconductores es que el rendimiento del láser se ve muy afectado por la temperatura y el ángulo de divergencia del haz es grande (generalmente entre unos pocos grados y 20 grados), por lo que es pobre en directividad, monocromaticidad y coherencia. Sin embargo, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la investigación de los láseres semiconductores avanza en la dirección de la profundidad, y el rendimiento de los láseres semiconductores mejora constantemente. La tecnología optoelectrónica de semiconductores con láser semiconductor como núcleo avanzará más y desempeñará un papel más importante en la sociedad de la información del siglo XXI.

¿Cómo funcionan los láseres semiconductores?

Un láser semiconductor es una fuente de radiación coherente. Para que genere luz láser se deben cumplir tres condiciones básicas:

1. Condición de ganancia: se establece la distribución de inversión de los portadores en el medio láser (región activa). En el semiconductor, la banda de energía que representa la energía del electrón está compuesta por una serie de niveles de energía que son casi continuos. Por lo tanto, en el semiconductor Para lograr la inversión de población, el número de electrones en la parte inferior de la banda de conducción del estado de alta energía debe ser mucho mayor que el número de huecos en la parte superior de la banda de valencia del estado de baja energía. estado entre las dos regiones de la banda de energía. La heterounión está polarizada hacia adelante para inyectar los portadores necesarios en la capa activa para excitar los electrones de la banda de valencia con menor energía a la banda de conducción con mayor energía. La emisión estimulada ocurre cuando una gran cantidad de electrones en un estado de inversión de población se recombinan con huecos.

2. Para obtener realmente una radiación estimulada coherente, la radiación estimulada debe retroalimentarse varias veces en el resonador óptico para formar una oscilación láser. El resonador láser está formado por la superficie de división natural del cristal semiconductor como un espejo, generalmente en El extremo que no emite luz está recubierto con una película dieléctrica multicapa de alta reflexión, y la superficie emisora ​​de luz está recubierta con un anti- película de reflexión Para el láser semiconductor de cavidad F-p (cavidad de Fabry-Perot), la cavidad F-p se puede formar fácilmente utilizando el plano de división natural del cristal perpendicular al plano de unión p-n.

3. Para formar una oscilación estable, el medio láser debe poder proporcionar una ganancia suficientemente grande para compensar la pérdida óptica causada por el resonador y la pérdida causada por la salida del láser desde la superficie de la cavidad, etc., y continuamente aumentar el campo óptico en la cavidad. Esto requiere una inyección de corriente lo suficientemente fuerte, es decir, hay suficiente inversión de población, cuanto mayor sea el grado de inversión de población, mayor será la ganancia obtenida, es decir, se debe cumplir una determinada condición de umbral de corriente. Cuando el láser alcanza el umbral, la luz con una longitud de onda específica puede resonar en la cavidad y amplificarse, y finalmente formar un láser y salir continuamente. Se puede ver que en los láseres semiconductores, la transición dipolar de electrones y huecos es el proceso básico de emisión y amplificación de luz. En el caso de los nuevos láseres semiconductores, actualmente se reconoce que los pozos cuánticos son la base fundamental lución

8) Escáner de código de barras láser. Los escáneres de códigos de barras láser de semiconductores se han utilizado ampliamente en la venta de mercancías y en la gestión de libros y archivos.

9) Bombear láseres de estado sólido. Esta es una aplicación importante de los láseres semiconductores de alta potencia. Usarlo para reemplazar la lámpara de atmósfera original puede formar un sistema láser de estado sólido.

10) TV láser de alta definición. En un futuro cercano, se estima que los televisores láser semiconductores sin tubos de rayos catódicos, que utilizan láser rojo, azul y verde, consumirán un 20 por ciento menos de energía que los televisores existentes.

2. Aplicaciones en investigación médica y de ciencias de la vida

1) Cirugía láser. Los láseres semiconductores se han utilizado para la ablación de tejidos blandos, la unión de tejidos, la coagulación y la vaporización. Esta técnica es muy utilizada en cirugía general, cirugía plástica, dermatología, urología, obstetricia y ginecología, etc.

2) Terapia dinámica con láser. Las sustancias fotosensibles que tienen afinidad por el tumor se acumulan selectivamente en el tejido canceroso, y el tejido canceroso se irradia con un láser semiconductor para generar especies reactivas de oxígeno, con el objetivo de hacerlo necrótico sin dañar el tejido sano.

3) Investigación en ciencias de la vida. Usando las "pinzas ópticas" de los láseres semiconductores, es posible capturar células vivas o cromosomas y moverlos a cualquier posición. Se ha utilizado para promover la síntesis celular y los estudios de interacción celular, y también se puede utilizar como tecnología de diagnóstico para la recopilación de pruebas forenses.