Fundamentos del láser semiconductor: Principio de funcionamiento, historia y aplicaciones

Desde la invención del primer láser semiconductor del mundo en 1962, los láseres semiconductores han experimentado enormes cambios, favoreciendo enormemente el desarrollo de otras ciencias y tecnologías, y se consideran uno de los mayores inventos humanos del siglo XX. En las últimas décadas, el desarrollo de los láseres semiconductores ha sido aún más rápido, convirtiéndose en uno [...]

Fundamentos del láser semiconductor: Principio de funcionamiento, historia y aplicaciones

Índice

Desde la invención del primer láser semiconductor del mundo en 1962, los láseres semiconductores han experimentado enormes cambios, favoreciendo enormemente el desarrollo de otras ciencias y tecnologías, y se consideran uno de los mayores inventos humanos del siglo XX.

Tecnología de fabricación de láser semiconductor

En las últimas décadas, el desarrollo de los láseres semiconductores ha sido aún más rápido, convirtiéndose en una de las tecnologías láser de más rápido crecimiento en el mundo.

La aplicación de los láseres semiconductores abarca todo el campo de la optoelectrónica y se ha convertido en la tecnología central de la ciencia optoelectrónica actual.

Debido a las ventajas de pequeño tamaño, estructura sencilla, baja energía de entrada, larga vida útil, fácil modulación y bajo precio de los láseres semiconductores, en la actualidad se utilizan ampliamente en el campo de la optoelectrónica y son muy valorados por países de todo el mundo.

El láser semiconductor es un láser miniaturizado con unión Pn o unión Pin compuesto de material semiconductor de brecha de banda directa como material de trabajo.

Existen docenas de sustancias semiconductoras para láser, y los materiales semiconductores que se han convertido en láseres incluyen el arseniuro de galio, el arseniuro de indio, el antimonuro de indio, el sulfuro de cadmio, el telururo de cadmio, el seleniuro de plomo, el telururo de plomo, el arsénico de galio aluminio, el arsénico de fósforo indio, etc.

Existen tres métodos principales de excitación para los láseres semiconductores, a saber:.

  • Tipo de inyección eléctrica
  • Tipo de bombeo ligero
  • Tipo de excitación por haz de electrones de alta energía

La mayoría de los láseres semiconductores se excitan mediante inyección eléctrica, lo que significa que se aplica una tensión directa a la unión Pn para producir una emisión excitada en la región del plano de unión, que es un diodo polarizado hacia delante.

Por lo tanto, el láser semiconductor también se denomina diodo láser semiconductor.

En el caso de los semiconductores, dado que los electrones saltan entre bandas de energía en lugar de entre niveles de energía discretos, la energía de salto no es un valor definido, lo que provoca que la longitud de onda de salida de los láseres semiconductores se extienda en un amplio rango.

Emiten longitudes de onda en el rango de 0,3 a 34 μm.

La gama de longitudes de onda viene determinada por la brecha de banda de energía del material utilizado, y el más común es el láser de doble heterounión AlGaAs con una longitud de onda de salida de 750 a 890 nm.

Diagrama esquemático de la estructura del láser

Diagrama esquemático de la estructura del láser

La tecnología de fabricación de láseres semiconductores ha pasado por diversos procesos, desde la difusión a la epitaxia en fase líquida (LPE), la epitaxia en fase de vapor (VPE), la epitaxia de haz molecular (MBE), el método MOCVD (deposición de vapor de compuestos orgánicos metálicos), la epitaxia de haz químico (CBE) y diversas combinaciones de ellos.

El mayor inconveniente de los láseres semiconductores es que su rendimiento se ve muy afectado por la temperatura, y el ángulo de divergencia del haz es grande (generalmente entre unos pocos grados y 20 grados), lo que se traduce en una direccionalidad, monocromaticidad y coherencia deficientes.

Sin embargo, con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la investigación sobre láseres semiconductores avanza en profundidad, y el rendimiento de los láseres semiconductores mejora constantemente.

Los láseres semiconductores, como núcleo de la tecnología optoelectrónica de semiconductores en la sociedad de la información del siglo XXI, harán mayores progresos y desempeñarán un papel más importante.

Principio de funcionamiento del láser semiconductor

El láser semiconductor es una fuente de radiación coherente, para que pueda producir luz láser deben darse tres condiciones básicas :

1. Condición de ganancia

Para establecer la distribución de inversión de los portadores en el medio de excitación (región activa), la energía de los electrones en un semiconductor se representa mediante una serie de bandas de energía formadas por una serie de niveles de energía casi continuos.

Por lo tanto, para lograr la inversión del número de partículas en los semiconductores, es necesario estar entre dos regiones de bandas de energía.

El número de electrones en la parte inferior de la banda de conducción en el estado de mayor energía es mucho mayor que el número de huecos en la parte superior de la banda de valencia en el estado de menor energía. Esto se consigue añadiendo polarización directa a la homojunción o heterounión e inyectando los portadores necesarios en la capa activa para excitar los electrones desde la banda de valencia de menor energía a la banda de conducción de mayor energía.

La emisión excitada se produce cuando un gran número de electrones en estado de inversión del número de partículas se combinan con huecos.

2. Para obtener realmente la radiación estimulada pertinente

Para lograr la retroalimentación múltiple y la formación de la oscilación láser, la radiación excitada debe realizarse en la cavidad óptica resonante.

La cavidad resonante de un láser se forma utilizando la solución superficial natural de un cristal semiconductor como reflector, normalmente con una película dieléctrica multicapa altamente reflectante en el extremo no emisor y una película parcialmente reflectante en el lado emisor.

En el caso de los láseres semiconductores con cavidad F-p (cavidad Fabry-Perot), la cavidad F-p puede formarse fácilmente utilizando el plano de solución natural del cristal perpendicular al plano de unión p-n.

3. Para formar oscilaciones estables, el medio láser debe ser capaz de proporcionar una ganancia suficientemente grande

Para compensar la pérdida óptica causada por la cavidad resonante y la pérdida causada por la salida láser de la superficie de la cavidad, es necesario aumentar constantemente el campo óptico en la cavidad.

Esto requiere una inyección de corriente suficientemente fuerte, es decir, una inversión del número de partículas suficiente. Cuanto mayor sea el grado de inversión del número de partículas, mayor será la ganancia obtenida, por lo que es necesario cumplir una determinada condición de umbral de corriente.

Cuando el láser alcanza el valor umbral, la luz con una longitud de onda específica puede resonar en la cavidad y amplificarse, formando finalmente un láser y emitiendo continuamente.

Se puede observar que en los láseres semiconductores, el salto dipolar de electrones y huecos es el proceso básico de emisión y amplificación de la luz.

En cuanto a los nuevos láseres semiconductores, actualmente se reconoce que los pozos cuánticos son la fuerza motriz fundamental para el desarrollo de los láseres semiconductores.

El tema de si los hilos y puntos cuánticos pueden aprovechar al máximo los efectos cuánticos se ha extendido en este siglo, y los científicos han intentado fabricar puntos cuánticos en diversos materiales con estructuras autoorganizadas, mientras que los puntos cuánticos de GaInN se han utilizado en láseres semiconductores.

Historia de los láseres semiconductores

Los láseres semiconductores se desarrollaron por primera vez a principios de los años 60 como láseres de unión homogénea, que eran diodos de unión pn fabricados en un único material. Cuando se sometían a una inyección de corriente de avance elevada, los electrones se inyectaban continuamente en la región p, y los huecos se inyectaban continuamente en la región n, lo que provocaba una inversión de la distribución de portadores en la zona de agotamiento de la unión pn original. Dado que la tasa de migración de electrones es más rápida que la tasa de migración de huecos, se produce la emisión de radiación y partículas compuestas en la zona activa, emitiendo fluorescencia y, en determinadas condiciones, se produce un láser semiconductor en forma de pulso.

La segunda etapa del desarrollo del láser semiconductor es el láser semiconductor de heteroestructura, que consta de dos capas finas de material semiconductor de banda prohibida diferente, como GaAs y GaAlAs. El primero de ellos fue un láser de heteroestructura simple (1969). Los láseres de inyección de heterounión simple (SHLD) dentro de la zona p de la unión GaAsP-N para reducir la densidad de corriente umbral, cuyo valor es un orden de magnitud inferior al de los láseres de homojunción, pero los láseres de heterounión simple siguen sin poder funcionar de forma continua a temperatura ambiente.

Desde finales de los años 70, los láseres semiconductores se han desarrollado claramente en dos direcciones. Una es el desarrollo de láseres basados en la información con el fin de transmitirla, y la otra es el desarrollo de láseres basados en la potencia con el fin de aumentar la potencia óptica. Esto fue impulsado por aplicaciones como los láseres de estado sólido bombeados, y los láseres de semiconductores de alta potencia (potencia de salida continua de 100mw o más, potencia de salida pulsada de 5W o más) se consideran ahora láseres de semiconductores de alta potencia.

En la década de 1990 se produjo un gran avance en la tecnología de los láseres de semiconductores marcado por un aumento significativo de la potencia de salida de los láseres de semiconductores. Se comercializaron láseres de semiconductores de alta potencia de clase kilovatio, y la salida de los dispositivos de muestra nacionales alcanzó los 600W. También se ampliaron las longitudes de onda de los láseres semiconductores de infrarrojos a los de semiconductores rojos de 670 nm, seguidos de la introducción de longitudes de onda de 650 nm, 635 nm, azul-verde y azul. También se desarrollaron con éxito láseres semiconductores violeta e incluso ultravioleta a escala de 10mW.

A finales de la década de 1990, se estudió el desarrollo de láseres de emisión superficial y láseres de emisión superficial de cavidad vertical para diversas aplicaciones en optoelectrónica ultraparalela. Los dispositivos de 980 nm, 850 nm y 780 nm se han hecho prácticos en sistemas ópticos. Actualmente, los láseres emisores de superficie de cavidad vertical se utilizan en redes de alta velocidad para gigabit Ethernet.

Aplicaciones de los láseres semiconductores

Los láseres semiconductores son una clase de láseres que maduraron antes y progresaron más rápidamente debido a su amplia gama de longitudes de onda, producción sencilla, bajo coste, fácil producción en masa, pequeño tamaño, peso ligero y larga vida útil. Por ello, su desarrollo ha sido rápido y su gama de aplicaciones supera ya los 300 tipos.

1. Aplicación en la industria y la tecnología

(1) Comunicación por fibra óptica:

Los láseres semiconductores son la única fuente de luz práctica para los sistemas de comunicación por fibra óptica, y la comunicación por fibra óptica se ha convertido en la corriente principal de la tecnología de comunicación contemporánea.

(2) Acceso a disco óptico:

Los láseres semiconductores se han utilizado para la memoria de discos ópticos, y su mayor ventaja es la gran cantidad de información almacenada de sonido, texto y gráficos. El uso de láseres azules y verdes puede mejorar mucho la densidad de almacenamiento de los discos ópticos.

(3) Análisis espectral:

Los láseres semiconductores sintonizables de infrarrojo lejano se han utilizado para el análisis de gases medioambientales, la vigilancia de la contaminación atmosférica, los gases de escape de los automóviles, etc. En la industria, puede utilizarse para controlar el proceso de precipitación en fase vapor.

(4) Tratamiento óptico de la información:

Los láseres semiconductores se han utilizado en sistemas ópticos de gestión de la información. Las matrices 2D de láseres semiconductores emisores de superficie son fuentes de luz ideales para sistemas ópticos de procesamiento paralelo y se utilizarán en ordenadores y redes neuronales ópticas.

(5) Microfabricación por láser:

Los láseres semiconductores de conmutación Q producen haces de luz ultracortos de alta energía para cortar y perforar circuitos integrados.

(6) Alarma láser:

Las alarmas láser semiconductoras se utilizan para una amplia gama de aplicaciones, como alarmas antirrobo, alarmas de nivel de agua, alarmas de distancia de coches, etc.

(7) Impresoras láser:

En las impresoras láser se han utilizado láseres semiconductores de alta potencia. El uso de láseres azules y verdes puede mejorar mucho la velocidad de impresión y la resolución.

(8) Lector láser de códigos de barras:

Los escáneres de códigos de barras láser semiconductores se han utilizado ampliamente para la comercialización, así como para la gestión de libros y archivos.

(9) Láseres de estado sólido bombeados:

Se trata de una importante aplicación de los láseres semiconductores de alta potencia, su uso para sustituir a la lámpara atmosférica original, puede constituir un sistema láser de estado totalmente sólido.

(10) TV láser de alta definición:

En un futuro próximo podrán comercializarse televisores con láser semiconductor sin tubos de rayos catódicos, que utilizarán láser rojo, azul y verde y se calcula que consumirán 20% menos energía que los televisores actuales.

2. Aplicación en investigación médica y ciencias de la vida

(1) Tratamiento quirúrgico con láser

Los láseres semiconductores se han utilizado para la escisión de tejidos blandos, la unión de tejidos, la coagulación y la vaporización. Se han utilizado ampliamente en cirugía general, cirugía plástica, dermatología, urología, obstetricia y ginecología.

(2) Tratamiento cinético con láser

Las sustancias fotosensibles con afinidad por los tumores se reúnen selectivamente en los tejidos cancerosos y se irradian mediante un láser semiconductor para producir especies reactivas de oxígeno en los tejidos cancerosos, con el objetivo de necrosarlos sin dañar los tejidos sanos.

(3) Investigación en ciencias de la vida

El uso de "pinzas ópticas" láser semiconductoras, que pueden capturar células vivas o cromosomas y trasladarlos a cualquier lugar, se ha utilizado para promover la síntesis celular, la interacción celular y otras investigaciones, así como técnica de diagnóstico para la ciencia forense.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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