Il principio di funzionamento e i principali tipi dilaser a semiconduttore
SemiconduttoreDiodi laserGrazie alla loro elevata efficienza, miniaturizzazione e diversità di lunghezza d'onda, sono ampiamente utilizzati come componenti fondamentali della tecnologia optoelettronica in settori quali la comunicazione, l'assistenza medica e l'industria. Questo articolo introduce ulteriormente il principio di funzionamento e le tipologie di laser a semiconduttore, utili come riferimento per la selezione della maggior parte dei ricercatori in optoelettronica.
1. Il principio di emissione luminosa dei laser a semiconduttore
Il principio di luminescenza dei laser a semiconduttore si basa sulla struttura a bande, sulle transizioni elettroniche e sull'emissione stimolata dei materiali semiconduttori. I materiali semiconduttori sono un tipo di materiale con un bandgap, che include una banda di valenza e una banda di conduzione. Quando il materiale è nello stato fondamentale, gli elettroni riempiono la banda di valenza, mentre non ci sono elettroni nella banda di conduzione. Quando un determinato campo elettrico viene applicato esternamente o viene iniettata una corrente, alcuni elettroni transitano dalla banda di valenza a quella di conduzione, formando coppie elettrone-lacuna. Durante il processo di rilascio di energia, quando queste coppie elettrone-lacuna vengono stimolate dal mondo esterno, vengono generati fotoni, ovvero laser.
2. Metodi di eccitazione dei laser a semiconduttore
Esistono principalmente tre metodi di eccitazione per i laser a semiconduttore: il tipo a iniezione elettrica, il tipo a pompa ottica e il tipo a eccitazione con fascio di elettroni ad alta energia.
Laser a semiconduttore a iniezione elettrica: generalmente, si tratta di diodi a giunzione superficiale realizzati in materiali come arseniuro di gallio (GaAs), solfuro di cadmio (CdS), fosfuro di indio (InP) e solfuro di zinco (ZnS). Vengono eccitati iniettando corrente lungo la polarizzazione diretta, generando emissione stimolata nella regione del piano di giunzione.
Laser a semiconduttore pompati otticamente: generalmente, i monocristalli semiconduttori di tipo N o di tipo P (come GaAS, InAs, InSb, ecc.) vengono utilizzati come sostanza di lavoro e illaseremesso da altri laser viene utilizzato come eccitazione pompata otticamente.
Laser a semiconduttore ad alta energia eccitati da fascio di elettroni: generalmente, utilizzano monocristalli semiconduttori di tipo N o di tipo P (come PbS, CdS, ZhO, ecc.) come sostanza di lavoro e vengono eccitati iniettando un fascio di elettroni ad alta energia dall'esterno. Tra i dispositivi laser a semiconduttore, quello con prestazioni migliori e un'applicazione più ampia è il laser a diodo GaAs a iniezione elettrica con doppia eterostruttura.
3. I principali tipi di laser a semiconduttore
La regione attiva di un laser a semiconduttore è l'area centrale per la generazione e l'amplificazione dei fotoni e il suo spessore è di pochi micrometri. Le strutture interne a guida d'onda vengono utilizzate per limitare la diffusione laterale dei fotoni e aumentare la densità di energia (come le guide d'onda a cresta e le eterogiunzioni sepolte). Il laser adotta un design a dissipatore di calore e seleziona materiali ad alta conduttività termica (come la lega rame-tungsteno) per una rapida dissipazione del calore, che può prevenire la deriva della lunghezza d'onda causata dal surriscaldamento. In base alla loro struttura e agli scenari applicativi, i laser a semiconduttore possono essere classificati nelle seguenti quattro categorie:
Laser a emissione di bordo (EEL)
Il laser esce dalla superficie di taglio sul lato del chip, formando uno spot ellittico (con un angolo di divergenza di circa 30°×10°). Le lunghezze d'onda tipiche includono 808 nm (per il pompaggio), 980 nm (per la comunicazione) e 1550 nm (per la comunicazione in fibra). È ampiamente utilizzato nel taglio industriale ad alta potenza, nelle sorgenti di pompaggio laser in fibra e nelle reti dorsali di comunicazione ottica.
2. Laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL)
Il laser viene emesso perpendicolarmente alla superficie del chip, con un fascio circolare e simmetrico (angolo di divergenza <15°). Integra un riflettore Bragg distribuito (DBR), eliminando la necessità di un riflettore esterno. È ampiamente utilizzato nel rilevamento 3D (come il riconoscimento facciale dei telefoni cellulari), nelle comunicazioni ottiche a corto raggio (data center) e nella tecnologia LiDAR.
3. Laser a cascata quantistica (QCL)
Basandosi sulla transizione a cascata di elettroni tra pozzi quantici, la lunghezza d'onda copre l'intervallo dell'infrarosso medio-lontano (3-30 μm), senza necessità di inversione di popolazione. I fotoni vengono generati attraverso transizioni inter-sottobanda e sono comunemente utilizzati in applicazioni come il rilevamento di gas (ad esempio, la rilevazione di CO₂), l'imaging terahertz e il monitoraggio ambientale.
Il design della cavità esterna del laser sintonizzabile (reticolo/prisma/specchio MEMS) può raggiungere un intervallo di sintonizzazione della lunghezza d'onda di ±50 nm, con una larghezza di linea stretta (<100 kHz) e un elevato rapporto di reiezione di modo laterale (>50 dB). È comunemente utilizzato in applicazioni come la comunicazione a divisione di lunghezza d'onda densa (DWDM), l'analisi spettrale e l'imaging biomedico. I laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati in dispositivi laser per comunicazioni, dispositivi di archiviazione laser digitale, apparecchiature di elaborazione laser, apparecchiature di marcatura e confezionamento laser, composizione e stampa laser, apparecchiature medicali laser, strumenti di rilevamento della distanza e della collimazione laser, strumenti e apparecchiature laser per l'intrattenimento e la didattica, componenti e parti laser, ecc. Appartengono ai componenti principali dell'industria laser. Data la sua ampia gamma di applicazioni, esistono numerosi marchi e produttori di laser. La scelta dovrebbe essere basata su esigenze specifiche e campi di applicazione. Diversi produttori hanno applicazioni diverse in vari campi e la selezione di produttori e laser dovrebbe essere effettuata in base al campo di applicazione effettivo del progetto.
Data di pubblicazione: 05-11-2025