Qu'est-ce que le laser à semi-conducteur ?

Depuis l'invention du premier laser à semi-conducteur au monde en 1962, le laser à semi-conducteur a subi d'énormes changements, favorisant grandement le développement d'autres sciences et technologies, et est considéré comme l'une des plus grandes inventions humaines du XXe siècle. Au cours des dix dernières années, les lasers à semi-conducteurs se sont développés plus rapidement et sont devenus la technologie laser à la croissance la plus rapide au monde. La gamme d'applications des lasers à semi-conducteurs couvre l'ensemble du domaine de l'optoélectronique et est devenue la technologie de base de la science optoélectronique d'aujourd'hui. En raison des avantages de la petite taille, de la structure simple, de la faible énergie d'entrée, de la longue durée de vie, de la modulation facile et du faible prix, les lasers à semi-conducteurs sont largement utilisés dans le domaine de l'optoélectronique et ont été très appréciés par les pays du monde entier.

laser à semi-conducteur
A laser à semi-conducteurest un laser miniaturisé qui utilise une jonction Pn ou une jonction Pin composée d'un matériau semi-conducteur à bande interdite directe comme substance de travail. Il existe des dizaines de matériaux de travail laser à semi-conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs qui ont été transformés en lasers comprennent l'arséniure de gallium, l'arséniure d'indium, l'antimonure d'indium, le sulfure de cadmium, le tellurure de cadmium, le séléniure de plomb, le tellurure de plomb, l'arséniure de gallium d'aluminium, le phosphore d'indium, l'arsenic, etc. Il existe trois principales méthodes d'excitation des semi-conducteurs. lasers, nommément du type à injection électrique, du type à pompe optique et du type à excitation par faisceau d'électrons à haute énergie. La méthode d'excitation de la plupart des lasers à semi-conducteurs est l'injection électrique, c'est-à-dire qu'une tension directe est appliquée à la jonction Pn pour générer une émission stimulée dans la région du plan de jonction, c'est-à-dire une diode polarisée en direct. Par conséquent, les lasers à semi-conducteurs sont également appelés diodes laser à semi-conducteurs. Pour les semi-conducteurs, étant donné que les électrons font la transition entre des bandes d'énergie plutôt que des niveaux d'énergie discrets, l'énergie de transition n'est pas une valeur définie, ce qui rend la longueur d'onde de sortie des lasers à semi-conducteur répartie sur une large plage. sur la gamme. Les longueurs d'onde qu'ils émettent sont comprises entre 0,3 et 34 μm. La gamme de longueurs d'onde est déterminée par la bande interdite d'énergie du matériau utilisé. Le plus courant est le laser à double hétérojonction AlGaAs, qui a une longueur d'onde de sortie de 750-890 nm.
La technologie de fabrication de lasers à semi-conducteurs a connu de la méthode de diffusion à l'épitaxie en phase liquide (LPE), l'épitaxie en phase vapeur (VPE), l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), la méthode MOCVD (dépôt en phase vapeur d'un composé organique métallique), l'épitaxie par faisceau chimique (CBE)) et leurs diverses combinaisons. Le plus grand inconvénient des lasers à semi-conducteurs est que les performances du laser sont fortement affectées par la température et que l'angle de divergence du faisceau est important (généralement entre quelques degrés et 20 degrés), il est donc pauvre en directivité, monochromaticité et cohérence. Cependant, avec le développement rapide de la science et de la technologie, la recherche sur les lasers à semi-conducteurs progresse dans le sens de la profondeur et les performances des lasers à semi-conducteurs s'améliorent constamment. La technologie optoélectronique à semi-conducteurs avec un laser à semi-conducteur comme noyau fera de plus grands progrès et jouera un rôle plus important dans la société de l'information du 21e siècle.

Comment fonctionnent les lasers à semi-conducteurs ?
A laser à semi-conducteurest une source de rayonnement cohérente. Pour qu'il génère de la lumière laser, trois conditions de base doivent être remplies :
1. Condition de gain : La distribution d'inversion des porteurs dans le milieu laser (région active) est établie. Dans le semi-conducteur, la bande d'énergie qui représente l'énergie des électrons est composée d'une série de niveaux d'énergie quasi continus. Par conséquent, dans le semi-conducteur Afin de réaliser l'inversion de population, le nombre d'électrons au bas de la bande de conduction de l'état à haute énergie doit être beaucoup plus grand que le nombre de trous au sommet de la bande de valence de l'état à basse énergie état entre les deux régions de bande d'énergie. L'hétérojonction est polarisée en direct pour injecter les porteurs nécessaires dans la couche active pour exciter les électrons de la bande de valence avec une énergie plus faible vers la bande de conduction avec une énergie plus élevée. L'émission stimulée se produit lorsqu'un grand nombre d'électrons dans un état d'inversion de population se recombinent avec des trous.
2. Pour obtenir réellement un rayonnement stimulé cohérent, le rayonnement stimulé doit être renvoyé plusieurs fois dans le résonateur optique pour former une oscillation laser. Le résonateur laser est formé par la surface de clivage naturelle du cristal semi-conducteur en tant que miroir, généralement en L'extrémité qui n'émet pas de lumière est recouverte d'un film diélectrique multicouche à haute réflexion, et la surface électroluminescente est recouverte d'un anti- film réfléchissant. Pour le laser à semi-conducteur à cavité F-p (cavité Fabry-Perot), la cavité F-p peut être facilement formée en utilisant le plan de clivage naturel du cristal perpendiculaire au plan de jonction p-n.
3. Afin de former une oscillation stable, le milieu laser doit être capable de fournir un gain suffisamment important pour compenser la perte optique causée par le résonateur et la perte causée par la sortie laser de la surface de la cavité, etc., et en continu augmenter le champ optique dans la cavité. Cela nécessite une injection de courant suffisamment forte, c'est-à-dire qu'il y a suffisamment d'inversion de population, plus le degré d'inversion de population est élevé, plus le gain obtenu est important, c'est-à-dire qu'une certaine condition de seuil de courant doit être remplie. Lorsque le laser atteint le seuil, la lumière avec une longueur d'onde spécifique peut résonner dans la cavité et être amplifiée, et finalement former un laser et sortir en continu. On peut voir que dans les lasers à semi-conducteurs, la transition dipolaire des électrons et des trous est le processus de base de l'émission et de l'amplification de la lumière. Pour les nouveaux lasers à semi-conducteurs, il est actuellement reconnu que les puits quantiques sont la force motrice fondamentale pour le développement des lasers à semi-conducteurs. La question de savoir si les fils quantiques et les points quantiques peuvent tirer pleinement parti des effets quantiques a été étendue à ce siècle. Les scientifiques ont essayé d'utiliser des structures auto-organisées pour créer des points quantiques dans divers matériaux, et des points quantiques GaInN ont été utilisés dans des lasers à semi-conducteurs.

Historique du développement des lasers à semi-conducteurs
lelasers à semi-conducteursdu début des années 1960 étaient des lasers à homojonction, qui étaient des diodes à jonction pn fabriquées sur un matériau. Sous l'injection directe de courant important, des électrons sont injectés en continu dans la région p et des trous sont injectés en continu dans la région n. Par conséquent, l'inversion de la distribution des porteurs est réalisée dans la région d'appauvrissement de la jonction pn d'origine. Étant donné que la vitesse de migration des électrons est plus rapide que celle des trous, un rayonnement et une recombinaison se produisent dans la région active et une fluorescence est émise. laser, un laser à semi-conducteur qui ne peut fonctionner qu'en impulsions. La deuxième étape du développement des lasers à semi-conducteurs est le laser à semi-conducteur à hétérostructure, qui est composé de deux couches minces de matériaux semi-conducteurs avec des bandes interdites différentes, telles que GaAs et GaAlAs, et le laser à hétérostructure unique est apparu pour la première fois (1969). Le laser à injection à hétérojonction unique (SHLD) se trouve dans la région p de la jonction GaAsP-N pour réduire la densité de courant de seuil, qui est d'un ordre de grandeur inférieur à celui du laser à homojonction, mais le laser à hétérojonction unique ne peut toujours pas. température ambiante.
Depuis la fin des années 1970, les lasers à semi-conducteur se sont évidemment développés dans deux directions, l'une est un laser à base d'information dans le but de transmettre des informations, et l'autre est un laser à base de puissance dans le but d'augmenter la puissance optique. Poussé par des applications telles que les lasers à semi-conducteurs pompés, les lasers à semi-conducteurs haute puissance (une puissance de sortie continue de plus de 100 mw et une puissance de sortie impulsionnelle de plus de 5 W peuvent être appelées lasers à semi-conducteurs haute puissance).
Dans les années 1990, une percée a été faite, qui a été marquée par une augmentation significative de la puissance de sortie des lasers à semi-conducteurs, la commercialisation de lasers à semi-conducteurs de haute puissance au niveau du kilowatt à l'étranger et la sortie d'appareils d'échantillonnage nationaux atteignant 600 W. Du point de vue de l'expansion de la bande laser, les premiers lasers semi-conducteurs infrarouges, suivis des lasers semi-conducteurs rouges à 670 nm, ont été largement utilisés. Puis, avec l'avènement des longueurs d'onde de 650 nm et 635 nm, les lasers à semi-conducteurs bleu-vert et bleu-lumière ont également été développés avec succès les uns après les autres. Des lasers semi-conducteurs violets et même ultraviolets de l'ordre de 10 mW sont également en cours de développement. Les lasers à émission de surface et les lasers à émission de surface à cavité verticale se sont développés rapidement à la fin des années 1990, et une variété d'applications en optoélectronique super-parallèle ont été envisagées. Les dispositifs 980nm, 850nm et 780nm sont déjà pratiques dans les systèmes optiques. À l'heure actuelle, les lasers à émission de surface à cavité verticale ont été utilisés dans les réseaux à haut débit de Gigabit Ethernet.

Applications des lasers à semi-conducteurs
Les lasers à semi-conducteurs sont une classe de lasers qui mûrissent plus tôt et progressent plus rapidement. En raison de leur large gamme de longueurs d'onde, de leur production simple, de leur faible coût et de leur production de masse facile, et en raison de leur petite taille, de leur poids léger et de leur longue durée de vie, ils ont un développement rapide dans les variétés et les applications. Une large gamme, actuellement plus de 300 espèces.

1. Application dans l'industrie et la technologie
1) Communication par fibre optique.Laser à semi-conducteurest la seule source lumineuse pratique pour le système de communication par fibre optique, et la communication par fibre optique est devenue le courant dominant de la technologie de communication contemporaine.
2) Accès au disque. Les lasers à semi-conducteurs ont été utilisés dans la mémoire à disque optique, et son plus grand avantage est qu'il stocke une grande quantité d'informations sonores, textuelles et d'images. L'utilisation de lasers bleus et verts peut grandement améliorer la densité de stockage des disques optiques.
3) Analyse spectrale. Les lasers à semi-conducteurs accordables dans l'infrarouge lointain ont été utilisés dans l'analyse des gaz ambiants, la surveillance de la pollution de l'air, les gaz d'échappement des automobiles, etc. Ils peuvent être utilisés dans l'industrie pour surveiller le processus de dépôt en phase vapeur.
4) Traitement optique de l'information. Les lasers à semi-conducteurs ont été utilisés dans les systèmes d'information optiques. Les réseaux bidimensionnels de lasers à semi-conducteurs à émission de surface sont des sources de lumière idéales pour les systèmes de traitement parallèle optique, qui seront utilisés dans les ordinateurs et les réseaux de neurones optiques.
5) Microfabrication laser. À l'aide d'impulsions lumineuses ultra-courtes à haute énergie générées par des lasers à semi-conducteurs à commutation Q, les circuits intégrés peuvent être coupés, poinçonnés, etc.
6) Alarme laser. Les alarmes laser à semi-conducteur sont largement utilisées, y compris les alarmes antivol, les alarmes de niveau d'eau, les alarmes de distance des véhicules, etc.
7) Imprimantes laser. Des lasers à semi-conducteurs de haute puissance ont été utilisés dans les imprimantes laser. L'utilisation de lasers bleus et verts peut grandement améliorer la vitesse et la résolution d'impression.
8) Lecteur de codes-barres laser. Les scanners de codes à barres laser à semi-conducteurs ont été largement utilisés dans la vente de marchandises et la gestion de livres et d'archives.
9) Pomper des lasers à solide. Il s'agit d'une application importante des lasers à semi-conducteurs de haute puissance. L'utiliser pour remplacer la lampe à atmosphère d'origine peut former un système laser à semi-conducteurs.
10) Téléviseur laser haute définition. Dans un avenir proche, on estime que les téléviseurs laser à semi-conducteurs sans tubes à rayons cathodiques, qui utilisent des lasers rouges, bleus et verts, consommeront 20 % moins d'énergie que les téléviseurs existants.

2. Applications dans la recherche médicale et des sciences de la vie
1) Chirurgie au laser.Lasers à semi-conducteuront été utilisés pour l'ablation des tissus mous, la liaison des tissus, la coagulation et la vaporisation. Cette technique est largement utilisée en chirurgie générale, chirurgie plastique, dermatologie, urologie, obstétrique et gynécologie, etc.
2) Thérapie dynamique au laser. Les substances photosensibles qui ont une affinité pour la tumeur sont sélectivement accumulées dans le tissu cancéreux, et le tissu cancéreux est irradié avec un laser à semi-conducteur pour générer des espèces réactives de l'oxygène, visant à le rendre nécrotique sans endommager le tissu sain.
3) Recherche en sciences de la vie. A l'aide de la "pince optique" delasers à semi-conducteurs, il est possible de capturer des cellules vivantes ou des chromosomes et de les déplacer vers n'importe quelle position. Il a été utilisé pour promouvoir la synthèse cellulaire et les études d'interaction cellulaire, et peut également être utilisé comme technologie de diagnostic pour la collecte de preuves médico-légales.