עקרון העבודה והסוגים העיקריים של לייזר מוליך למחצה

עקרון העבודה והסוגים העיקריים שללייזר מוליך למחצה

מוֹלִיך לְמֶחֱצָהדיודות לייזר, בזכות יעילותם הגבוהה, המזעור וגיוון אורכי הגל שלהם, נמצאים בשימוש נרחב כרכיבי ליבה של טכנולוגיה אופטואלקטרונית בתחומים כמו תקשורת, טיפול רפואי ועיבוד תעשייתי. מאמר זה מציג עוד את עקרון העבודה וסוגי לייזרים מוליכים למחצה, דבר הנוחה לבחירתם של רוב חוקרי האופטואלקטרוניקה.

1. עקרון פליטת האור של לייזרים מוליכים למחצה

עקרון הלומינסנציה של לייזרים מוליכים למחצה מבוסס על מבנה הפס, מעברים אלקטרוניים ופליטה מגורה של חומרים מוליכים למחצה. חומרים מוליכים למחצה הם סוג של חומר עם פער פס, הכולל פס ערכיות ופס הולכה. כאשר החומר נמצא במצב יסוד, אלקטרונים ממלאים את פס הערכיות בעוד שאין אלקטרונים בפס ההולכה. כאשר שדה חשמלי מסוים מופעל חיצונית או מוזרק זרם, חלק מהאלקטרונים יעברו מפס הערכיות לפס ההולכה, ויוצרים זוגות אלקטרון-חור. במהלך תהליך שחרור האנרגיה, כאשר זוגות אלקטרון-חור אלה מגורים על ידי העולם החיצון, ייווצרו פוטונים, כלומר לייזרים.

2. שיטות עירור של לייזרים מוליכים למחצה

ישנן בעיקר שלוש שיטות עירור עבור לייזרים מוליכים למחצה, כלומר סוג הזרקה חשמלית, סוג משאבה אופטית וסוג עירור אלומת אלקטרונים באנרגיה גבוהה.

לייזרים מוליכים למחצה המוזרקים חשמלית: בדרך כלל, מדובר בדיודות צומת פני השטח של מוליכים למחצה העשויות מחומרים כגון גליום ארסניד (GaAs), קדמיום גופרתי (CdS), אינדיום זרחתי (InP) וגופרית אבץ (ZnS). הם מעוררים על ידי הזרקת זרם לאורך ההטיה הקדמית, ויוצרים פליטה מגורה באזור מישור הצומת.

לייזרים מוליכים למחצה שאובים אופטית: בדרך כלל, גבישים יחידים מוליכים למחצה מסוג N או מסוג P (כגון GaAS, InAs, InSb וכו') משמשים כחומר העבודה, וה-לייזרהנפלט מלייזרים אחרים משמש כעירור שאוב אופטית.

לייזרים מוליכים למחצה המעוררים באמצעות אלומת אלקטרונים באנרגיה גבוהה: בדרך כלל, הם משתמשים גם בגבישים יחידים מוליכים למחצה מסוג N או מסוג P (כגון PbS, CdS, ZhO וכו') כחומר העבודה ומעוררים אותם על ידי הזרקת אלומת אלקטרונים באנרגיה גבוהה מבחוץ. מבין התקני לייזר מוליכים למחצה, לייזר דיודה GaAs המוזרק חשמלית עם הטרומבנה כפול הוא בעל הביצועים הטובים יותר ויישום רחב יותר.

3. הסוגים העיקריים של לייזרים מוליכים למחצה

האזור הפעיל של לייזר מוליך למחצה הוא האזור המרכזי לייצור והגברה של פוטונים, ועוביו הוא רק כמה מיקרומטרים בודדים. מבני מוליכי גל פנימיים משמשים להגבלת הדיפוזיה הצידית של פוטונים ולשיפור צפיפות האנרגיה (כגון מוליכי גל רכסים וצמתים קבורים). הלייזר מאמץ עיצוב גוף קירור ובוחר בחומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה (כגון סגסוגת נחושת-טונגסטן) לפיזור חום מהיר, מה שיכול למנוע סחיפה של אורך הגל הנגרמת מחימום יתר. בהתאם למבנה ותרחישי היישום שלהם, ניתן לסווג לייזרי מוליכים למחצה לארבע הקטגוריות הבאות:

לייזר פולט קצה (EEL)

הלייזר מופק ממשטח החיתוך בצד השבב, ויוצר נקודה אליפטית (עם זווית סטייה של כ-30°×10°). אורכי גל אופייניים כוללים 808 ננומטר (לשאיבה), 980 ננומטר (לתקשורת) ו-1550 ננומטר (לתקשורת סיבים). הוא נמצא בשימוש נרחב בחיתוך תעשייתי בעל הספק גבוה, מקורות שאיבה של לייזר סיבים ורשתות שדרה לתקשורת אופטית.

2. לייזר פולט משטחי חלל אנכי (VCSEL)

הלייזר נפלט בניצב לפני השטח של השבב, עם קרן מעגלית וסימטרית (זווית סטייה <15°). הוא משלב מחזיר בראג מבוזר (DBR), מה שמבטל את הצורך במחזיר חיצוני. הוא נמצא בשימוש נרחב בחישה תלת-ממדית (כגון זיהוי פנים בטלפונים ניידים), תקשורת אופטית לטווח קצר (מרכזי נתונים) ו-LiDAR.

3. לייזר קוונטי מפל (QCL)

בהתבסס על מעבר מפל של אלקטרונים בין בארות קוונטיות, אורך הגל מכסה את טווח האינפרא אדום הבינוני לרחוק (3-30 מיקרומטר), ללא צורך בהיפוך אוכלוסייה. פוטונים נוצרים באמצעות מעברים בין-תת-פסים ונמצאים בשימוש נפוץ ביישומים כגון חישת גז (כגון גילוי CO₂), הדמיית טרה-הרץ וניטור סביבתי.

4. לייזר מתכוונן

עיצוב החלל החיצוני של הלייזר המתכוונן (סריג/פריזמה/מראה MEMS) יכול להשיג טווח כוונון אורך גל של ±50 ננומטר, עם רוחב קו צר (<100 קילוהרץ) ויחס דחייה גבוה של מצב צד (>50 dB). הוא נמצא בשימוש נפוץ ביישומים כגון תקשורת ריבוב חלוקת אורך גל צפוף (DWDM), ניתוח ספקטרלי והדמיה ביו-רפואית. לייזרים מוליכים למחצה נמצאים בשימוש נרחב בהתקני לייזר לתקשורת, התקני אחסון לייזר דיגיטליים, ציוד עיבוד לייזר, ציוד סימון ואריזה בלייזר, סידור והדפסה בלייזר, ציוד רפואי בלייזר, מכשירי גילוי מרחק וקולימציה בלייזר, מכשירי וציוד לייזר לבידור וחינוך, רכיבי וחלקי לייזר וכו'. הם שייכים למרכיבי הליבה של תעשיית הלייזר. בשל מגוון היישומים הרחב שלו, ישנם מותגים ויצרנים רבים של לייזרים. בעת ביצוע בחירה, היא צריכה להתבסס על צרכים ותחומי יישום ספציפיים. ליצרנים שונים יש יישומים שונים בתחומים שונים, ובחירת היצרנים והלייזרים צריכה להיעשות בהתאם לתחום היישום בפועל של הפרויקט.