Prinsip kerja dan jenis utamalaser semikonduktor
SemikonduktorDioda laserLaser semikonduktor, dengan efisiensi tinggi, miniaturisasi, dan keragaman panjang gelombangnya, banyak digunakan sebagai komponen inti teknologi optoelektronik di berbagai bidang seperti komunikasi, perawatan medis, dan pemrosesan industri. Artikel ini lebih lanjut memperkenalkan prinsip kerja dan jenis-jenis laser semikonduktor, yang praktis sebagai referensi bagi sebagian besar peneliti optoelektronik.
1. Prinsip pemancar cahaya laser semikonduktor
Prinsip luminesensi laser semikonduktor didasarkan pada struktur pita, transisi elektronik, dan emisi terstimulasi dari material semikonduktor. Material semikonduktor merupakan jenis material dengan celah pita, yang terdiri dari pita valensi dan pita konduksi. Ketika material berada dalam keadaan dasar, elektron mengisi pita valensi sementara tidak ada elektron di pita konduksi. Ketika medan listrik tertentu diterapkan secara eksternal atau arus listrik disuntikkan, beberapa elektron akan bertransisi dari pita valensi ke pita konduksi, membentuk pasangan elektron-lubang. Selama proses pelepasan energi, ketika pasangan elektron-lubang ini distimulasi oleh dunia luar, foton, atau laser, akan dihasilkan.
2. Metode eksitasi laser semikonduktor
Ada tiga metode eksitasi utama untuk laser semikonduktor, yaitu tipe injeksi listrik, tipe pompa optik, dan tipe eksitasi berkas elektron berenergi tinggi.
Laser semikonduktor yang diinjeksi secara elektrik: Umumnya, laser ini merupakan dioda sambungan permukaan semikonduktor yang terbuat dari material seperti galium arsenida (GaAs), kadmium sulfida (CdS), indium fosfida (InP), dan seng sulfida (ZnS). Laser ini dieksitasi dengan menginjeksikan arus sepanjang bias maju, menghasilkan emisi terstimulasi di daerah bidang sambungan.
Laser semikonduktor yang dipompa secara optik: Umumnya, kristal tunggal semikonduktor tipe-N atau tipe-P (seperti GaAS, InAs, InSb, dll.) digunakan sebagai zat kerja, danlaserdipancarkan oleh laser lain digunakan sebagai eksitasi yang dipompa secara optik.
Laser semikonduktor eksitasi berkas elektron berenergi tinggi: Umumnya, laser ini juga menggunakan kristal tunggal semikonduktor tipe-N atau tipe-P (seperti PbS, CdS, ZhO, dll.) sebagai zat kerja dan dieksitasi dengan menginjeksikan berkas elektron berenergi tinggi dari luar. Di antara perangkat laser semikonduktor, yang memiliki kinerja lebih baik dan aplikasi yang lebih luas adalah laser dioda GaAs yang diinjeksikan secara elektrik dengan heterostruktur ganda.
3. Jenis utama laser semikonduktor
Daerah Aktif laser semikonduktor merupakan area inti untuk pembangkitan dan amplifikasi foton, dengan ketebalan hanya beberapa mikrometer. Struktur pandu gelombang internal digunakan untuk membatasi difusi lateral foton dan meningkatkan densitas energi (seperti pandu gelombang ridge dan heterojunction yang terkubur). Laser ini mengadopsi desain heat sink dan memilih material dengan konduktivitas termal tinggi (seperti paduan tembaga-tungsten) untuk pembuangan panas yang cepat, yang dapat mencegah pergeseran panjang gelombang akibat panas berlebih. Berdasarkan struktur dan skenario aplikasinya, laser semikonduktor dapat diklasifikasikan ke dalam empat kategori berikut:
Laser Pemancar Tepi (EEL)
Laser dipancarkan dari permukaan pembelahan di sisi chip, membentuk titik elips (dengan sudut divergensi sekitar 30°×10°). Panjang gelombang yang umum digunakan meliputi 808 nm (untuk pemompaan), 980 nm (untuk komunikasi), dan 1550 nm (untuk komunikasi serat). Laser ini banyak digunakan dalam pemotongan industri berdaya tinggi, sumber pemompaan laser serat, dan jaringan tulang punggung komunikasi optik.
2. Laser Pemancar Permukaan Rongga Vertikal (VCSEL)
Laser dipancarkan tegak lurus ke permukaan chip, dengan sinar melingkar dan simetris (sudut divergensi <15°). Laser ini mengintegrasikan reflektor Bragg terdistribusi (DBR), sehingga menghilangkan kebutuhan akan reflektor eksternal. Laser ini banyak digunakan dalam penginderaan 3D (seperti pengenalan wajah pada ponsel), komunikasi optik jarak pendek (pusat data), dan LiDAR.
3. Laser Kaskade Kuantum (QCL)
Berdasarkan transisi kaskade elektron antar sumur kuantum, panjang gelombang mencakup rentang inframerah menengah hingga jauh (3-30 μm), tanpa memerlukan inversi populasi. Foton dihasilkan melalui transisi antar-subband dan umumnya digunakan dalam aplikasi seperti penginderaan gas (seperti deteksi CO₂), pencitraan terahertz, dan pemantauan lingkungan.
4. Laser yang Dapat Disesuaikan
Desain rongga eksternal laser yang dapat disetel (kisi/prisma/cermin MEMS) dapat mencapai rentang penyetelan panjang gelombang ±50 nm, dengan lebar garis yang sempit (<100 kHz) dan rasio penolakan mode samping yang tinggi (>50 dB). Laser ini umum digunakan dalam aplikasi seperti komunikasi multiplexing pembagian panjang gelombang padat (DWDM), analisis spektral, dan pencitraan biomedis. Laser semikonduktor banyak digunakan dalam perangkat laser komunikasi, perangkat penyimpanan laser digital, peralatan pemrosesan laser, peralatan penandaan dan pengemasan laser, penataan huruf dan pencetakan laser, peralatan medis laser, instrumen deteksi jarak dan kolimasi laser, instrumen dan peralatan laser untuk hiburan dan pendidikan, komponen dan suku cadang laser, dll. Laser semikonduktor merupakan komponen inti dari industri laser. Karena cakupan aplikasinya yang luas, terdapat banyak merek dan produsen laser. Dalam memilih, pemilihan harus didasarkan pada kebutuhan dan bidang aplikasi spesifik. Setiap produsen memiliki aplikasi yang berbeda di berbagai bidang, dan pemilihan produsen dan laser harus dilakukan sesuai dengan bidang aplikasi aktual proyek.
Waktu posting: 05-Nov-2025