Principio de funcionamiento y principales tipos deláser semiconductor
Semiconductordiodos láserLos láseres semiconductores, gracias a su alta eficiencia, miniaturización y diversidad de longitudes de onda, se utilizan ampliamente como componentes clave de la tecnología optoelectrónica en campos como las comunicaciones, la atención médica y el procesamiento industrial. Este artículo presenta el principio de funcionamiento y los tipos de láseres semiconductores, lo que facilita la selección de referencias para la mayoría de los investigadores en optoelectrónica.
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. Estos materiales poseen una banda prohibida, compuesta por una banda de valencia y una banda de conducción. En su estado fundamental, la banda de valencia está ocupada por electrones, mientras que la banda de conducción está vacía. Al aplicar un campo eléctrico externo o inyectar una corriente, algunos electrones transitan de la banda de valencia a la banda de conducción, formando pares electrón-hueco. Durante la 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 los láseres semiconductores: el tipo de inyección eléctrica, el tipo de bombeo óptico y el tipo de excitación por haz de electrones de alta energía.
Láseres semiconductores de inyección eléctrica: 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 mediante la inyección de corriente en polarización directa, generando 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.láserLa 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 P (como PbS, CdS, ZhO, etc.) como material activo y se excitan mediante la inyección externa de un haz de electrones de alta energía. Entre los dispositivos láser semiconductores, el que presenta mejor rendimiento y mayor aplicación es el láser de diodo GaAs de inyección eléctrica con 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 los fotones y aumentar la densidad de energía (como las guías de onda de cresta y las heterouniones enterradas). El láser incorpora un diseño de disipador de calor y utiliza materiales de alta conductividad térmica (como la aleación de cobre-tungsteno) para una rápida disipación del calor, lo que evita la deriva de longitud de onda causada por el sobrecalentamiento. Según su estructura y aplicaciones, los láseres semiconductores se pueden clasificar en las siguientes cuatro categorías:
Láser de emisión lateral (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 óptica). Se utiliza ampliamente en el corte industrial de alta potencia, como fuente de bombeo para láseres de fibra óptica y en 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), eliminando 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)
Basándose en la transición en cascada de electrones entre pozos cuánticos, la longitud de onda abarca el rango del infrarrojo medio al lejano (3-30 μm), sin necesidad de inversión de población. Los fotones se generan mediante transiciones intersubbanda y se utilizan comúnmente en aplicaciones como la detección de gases (por ejemplo, CO₂), la obtención de imágenes en el rango de los terahercios y la monitorización ambiental.
El diseño de cavidad externa del láser sintonizable (rejilla/prisma/espejo MEMS) permite un rango de sintonización de longitud de onda de ±50 nm, con un ancho de línea estrecho (<100 kHz) y una alta relación de rechazo de modos laterales (>50 dB). Se utiliza comúnmente en aplicaciones como la multiplexación por división de longitud de onda densa (DWDM), el análisis espectral y la imagen biomédica. Los láseres semiconductores se emplean ampliamente en dispositivos de comunicación láser, dispositivos de almacenamiento láser digital, equipos de procesamiento láser, equipos de marcado y empaquetado láser, composición tipográfica 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. Constituyen un elemento fundamental de la industria láser. Debido a su amplio rango de aplicaciones, existen numerosas marcas y fabricantes de láseres. La elección debe basarse en las necesidades específicas y los campos de aplicación. Cada fabricante ofrece aplicaciones diferentes en diversos campos, por lo que la selección del fabricante y del láser debe realizarse en función del campo de aplicación real del proyecto.
Fecha de publicación: 5 de noviembre de 2025