El principio de funcionamiento y los principales tipos deláser semiconductor
Semiconductordiodos láserGracias a su alta eficiencia, miniaturización y diversidad de longitudes de onda, se utilizan ampliamente como componentes esenciales de la tecnología optoelectrónica en campos como las comunicaciones, la atención médica y el procesamiento industrial. Este artículo presenta con más detalle el principio de funcionamiento y los tipos de láseres semiconductores, lo cual resulta útil para la selección de la mayoría de los investigadores optoelectrónicos.
1. El principio de emisión de luz de los láseres semiconductores
El principio de luminiscencia de los láseres semiconductores se basa en la estructura de bandas, las transiciones electrónicas y la emisión estimulada de los materiales semiconductores. Los materiales semiconductores son un tipo de material con una banda prohibida, que incluye una banda de valencia y una banda de conducción. Cuando el material se encuentra en el estado fundamental, los electrones llenan la banda de valencia, mientras que no hay electrones en la banda de conducción. Al aplicar un campo eléctrico externo o inyectar una corriente, algunos electrones pasan de la banda de valencia a la banda de conducción, formando pares electrón-hueco. Durante el proceso de liberación de energía, cuando estos pares electrón-hueco son estimulados por el exterior, se generan fotones, es decir, láseres.
2. Métodos de excitación de láseres semiconductores
Existen principalmente tres métodos de excitación para láseres semiconductores, a saber, el tipo de inyección eléctrica, el tipo de bombeo óptico y el tipo de excitación por haz de electrones de alta energía.
Láseres semiconductores inyectados eléctricamente: Generalmente, son diodos semiconductores de unión superficial fabricados con materiales como arseniuro de galio (GaAs), sulfuro de cadmio (CdS), fosfuro de indio (InP) y sulfuro de zinc (ZnS). Se excitan inyectando corriente a lo largo de la polarización directa, lo que genera emisión estimulada en la región del plano de unión.
Láseres semiconductores bombeados ópticamente: generalmente, se utilizan monocristales semiconductores de tipo N o tipo P (como GaAS, InAs, InSb, etc.) como sustancia de trabajo yláserLa luz emitida por otros láseres se utiliza como excitación bombeada ópticamente.
Láseres semiconductores excitados por haz de electrones de alta energía: Generalmente, también utilizan monocristales semiconductores de tipo N o tipo P (como PbS, CdS, ZhO, etc.) como sustancia activa y se excitan inyectando un haz de electrones de alta energía desde el exterior. Entre los dispositivos láser semiconductores, el de mayor rendimiento y aplicación es el láser de diodo de GaAs con inyección eléctrica y doble heteroestructura.
3. Los principales tipos de láseres semiconductores
La región activa de un láser semiconductor es el área central para la generación y amplificación de fotones, y su espesor es de tan solo unos pocos micrómetros. Se utilizan estructuras de guía de onda internas para restringir la difusión lateral de fotones y mejorar la densidad energética (como guías de onda de cresta y heterojunciones enterradas). El láser adopta un diseño de disipador de calor y selecciona materiales de alta conductividad térmica (como aleaciones de cobre y tungsteno) para una rápida disipación del calor, lo que puede prevenir la deriva de la longitud de onda causada por el sobrecalentamiento. Según su estructura y escenarios de aplicación, los láseres semiconductores se pueden clasificar en las siguientes cuatro categorías:
Láser de emisión de borde (EEL)
El láser se emite desde la superficie de corte lateral del chip, formando un punto elíptico (con un ángulo de divergencia de aproximadamente 30° × 10°). Las longitudes de onda típicas incluyen 808 nm (para bombeo), 980 nm (para comunicación) y 1550 nm (para comunicación por fibra). Se utiliza ampliamente en corte industrial de alta potencia, fuentes de bombeo láser de fibra y redes troncales de comunicación óptica.
2. Láser de emisión superficial de cavidad vertical (VCSEL)
El láser se emite perpendicularmente a la superficie del chip, con un haz circular y simétrico (ángulo de divergencia <15°). Integra un reflector Bragg distribuido (DBR), lo que elimina la necesidad de un reflector externo. Se utiliza ampliamente en detección 3D (como el reconocimiento facial en teléfonos móviles), comunicaciones ópticas de corto alcance (centros de datos) y LiDAR.
3. Láser de cascada cuántica (QCL)
Basada en la transición en cascada de electrones entre pozos cuánticos, la longitud de onda cubre el rango del infrarrojo medio al lejano (3-30 μm), sin necesidad de inversión de población. Los fotones se generan mediante transiciones entre subbandas y se utilizan comúnmente en aplicaciones como la detección de gases (como la detección de CO₂), la obtención de imágenes de terahercios y la monitorización ambiental.
El diseño de cavidad externa del láser sintonizable (rejilla/prisma/espejo MEMS) permite alcanzar un rango de sintonización de longitud de onda de ±50 nm, con un ancho de línea estrecho (<100 kHz) y una alta tasa de rechazo de modo lateral (>50 dB). Se utiliza comúnmente en aplicaciones como la comunicación por multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), el análisis espectral y la imagen biomédica. Los láseres semiconductores se utilizan ampliamente en dispositivos láser de comunicación, dispositivos de almacenamiento láser digital, equipos de procesamiento láser, equipos de marcado y empaquetado láser, composición e impresión láser, equipos médicos láser, instrumentos de detección de distancia y colimación láser, instrumentos y equipos láser para entretenimiento y educación, componentes y piezas láser, etc. Pertenecen a los componentes principales de la industria láser. Debido a su amplia gama de aplicaciones, existen numerosas marcas y fabricantes de láseres. Al elegir un láser, esta debe basarse en las necesidades y campos de aplicación específicos. Cada fabricante tiene diferentes aplicaciones en diversos campos, y la selección de fabricantes y láseres debe realizarse en función del campo de aplicación real del proyecto.
Hora de publicación: 05-nov-2025