Prinsip kerja dan jenis utama darilaser semikonduktor
SemikonduktorDioda laserDengan efisiensi tinggi, miniaturisasi, dan keragaman panjang gelombangnya, laser semikonduktor banyak digunakan sebagai komponen inti teknologi optoelektronik di berbagai bidang seperti komunikasi, perawatan medis, dan pengolahan industri. Artikel ini selanjutnya memperkenalkan prinsip kerja dan jenis-jenis laser semikonduktor, yang memudahkan pemilihan referensi bagi sebagian besar peneliti optoelektronik.
1. Prinsip pemancaran cahaya laser semikonduktor
Prinsip luminesensi laser semikonduktor didasarkan pada struktur pita, transisi elektronik, dan emisi terstimulasi dari material semikonduktor. Material semikonduktor adalah jenis material dengan celah pita, yang meliputi 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 diinjeksikan, 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, yaitu laser, akan dihasilkan.
2. Metode eksitasi laser semikonduktor
Terdapat tiga metode eksitasi utama untuk laser semikonduktor, yaitu tipe injeksi listrik, tipe pompa optik, dan tipe eksitasi berkas elektron berenergi tinggi.
Laser semikonduktor yang diinjeksikan secara elektrik: Umumnya, laser ini adalah dioda sambungan permukaan semikonduktor yang terbuat dari bahan seperti galium arsenida (GaAs), kadmium sulfida (CdS), indium fosfida (InP), dan seng sulfida (ZnS). Laser ini diaktifkan dengan menginjeksikan arus sepanjang bias maju, menghasilkan emisi terstimulasi di wilayah bidang sambungan.
Laser semikonduktor yang dipompa secara optik: Umumnya, kristal tunggal semikonduktor tipe N atau tipe P (seperti GaAS, InAs, InSb, dll.) digunakan sebagai bahan kerja, danlaserSinar yang dipancarkan oleh laser lain digunakan sebagai eksitasi yang dipompa secara optik.
Laser semikonduktor yang dieksitasi oleh berkas elektron berenergi tinggi: Umumnya, laser ini juga menggunakan kristal tunggal semikonduktor tipe N atau tipe P (seperti PbS, CdS, ZhO, dll.) sebagai bahan kerja dan dieksitasi dengan menyuntikkan berkas elektron berenergi tinggi dari luar. Di antara perangkat laser semikonduktor, yang memiliki kinerja lebih baik dan aplikasi lebih luas adalah laser dioda GaAs yang diinjeksi secara elektrik dengan heterostruktur ganda.
3. Jenis-jenis utama laser semikonduktor
Area aktif laser semikonduktor adalah area inti untuk pembangkitan dan amplifikasi foton, dan ketebalannya hanya beberapa mikrometer. Struktur pandu gelombang internal digunakan untuk membatasi difusi lateral foton dan meningkatkan kepadatan energi (seperti pandu gelombang ridge dan heterojunction terpendam). 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 yang disebabkan oleh panas berlebih. Berdasarkan struktur dan skenario aplikasinya, laser semikonduktor dapat diklasifikasikan ke dalam empat kategori berikut:
Laser Pemancar Tepi (EEL)
Laser dipancarkan dari permukaan belahan di sisi chip, membentuk titik elips (dengan sudut divergensi sekitar 30°×10°). Panjang gelombang tipikal meliputi 808 nm (untuk pemompaan), 980 nm (untuk komunikasi), dan 1550 nm (untuk komunikasi serat optik). Laser ini banyak digunakan dalam pemotongan industri daya tinggi, sumber pemompaan laser serat optik, dan jaringan tulang punggung komunikasi optik.
2. Laser Pemancar Permukaan Rongga Vertikal (VCSEL)
Laser dipancarkan tegak lurus ke permukaan chip, dengan berkas 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 subpita dan umumnya digunakan dalam aplikasi seperti penginderaan gas (seperti deteksi CO₂), pencitraan terahertz, dan pemantauan lingkungan.
Desain rongga eksternal laser yang dapat disetel (kisi/prisma/cermin MEMS) dapat mencapai rentang penyetelan panjang gelombang ±50 nm, dengan lebar garis sempit (<100 kHz) dan rasio penolakan mode samping yang tinggi (>50 dB). Laser ini umumnya 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, pengaturan huruf dan pencetakan laser, peralatan medis laser, instrumen deteksi jarak dan kolimasi laser, instrumen dan peralatan laser untuk hiburan dan pendidikan, komponen dan bagian laser, dll. Laser ini termasuk komponen inti dari industri laser. Karena cakupan aplikasinya yang luas, terdapat banyak merek dan produsen laser. Saat memilih, pemilihan harus didasarkan pada kebutuhan spesifik dan bidang aplikasi. Produsen yang berbeda 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