El principio de funcionamiento y los principales tipos deláser semiconductor
Semiconductordiodos láserGracias a su alta eficiencia, miniaturización y diversidad de longitudes de onda, los láseres semiconductores 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 resulta útil como referencia 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. Los materiales semiconductores son un tipo de material con una banda prohibida, que comprende una banda de valencia y una banda de conducción. Cuando el material se encuentra en su estado fundamental, los electrones llenan la banda de valencia, 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 el proceso de liberación de energía, cuando estos pares electrón-hueco son estimulados por el entorno, 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 inyectando corriente en 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, y elláserLa luz emitida por otros láseres se utiliza como excitación mediante bombeo óptico.
Láseres semiconductores excitados por haces de electrones de alta energía: Generalmente, también utilizan monocristales semiconductores de tipo N o P (como PbS, CdS, ZhO, etc.) como material de trabajo y se excitan mediante la inyección de un haz de electrones de alta energía desde el exterior. Entre los dispositivos láser semiconductores, el que presenta un mejor rendimiento y una aplicación más amplia 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 aumentar la densidad de energía (como guías de onda de cresta y heteroestructuras enterradas). El láser adopta un diseño de disipador de calor y selecciona materiales de alta conductividad térmica (como la aleación de cobre-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 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 láser para 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 de Bragg distribuido (DBR), eliminando la necesidad de un reflector externo. Se utiliza ampliamente en detección 3D (como el reconocimiento facial en teléfonos móviles), comunicación óptica 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 entre subbandas y se utilizan habitualmente en aplicaciones como la detección de gases (por ejemplo, CO₂), la obtención de imágenes en el rango de 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 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 embalaje 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 los componentes centrales de la industria láser. Debido a su amplia gama de aplicaciones, existen numerosas marcas y fabricantes de láseres. Al elegir uno, se debe considerar las necesidades específicas y los campos de aplicación. Los diferentes fabricantes ofrecen distintas aplicaciones en diversos campos, por lo que la selección de fabricantes y láseres debe realizarse de acuerdo con el campo de aplicación real del proyecto.
Fecha de publicación: 5 de noviembre de 2025