O princípio de funcionamento e os principais tipos delaser semicondutor
SemicondutorDiodos laserOs lasers semicondutores, com sua alta eficiência, miniaturização e diversidade de comprimentos de onda, são amplamente utilizados como componentes essenciais da tecnologia optoeletrônica em áreas como comunicação, medicina e processamento industrial. Este artigo apresenta o princípio de funcionamento e os tipos de lasers semicondutores, sendo uma referência útil para a maioria dos pesquisadores em optoeletrônica.
1. O princípio de emissão de luz dos lasers semicondutores
O princípio da luminescência dos lasers semicondutores baseia-se na estrutura de bandas, nas transições eletrônicas e na emissão estimulada de materiais semicondutores. Materiais semicondutores são um tipo de material com uma lacuna de energia, que inclui uma banda de valência e uma banda de condução. Quando o material está no estado fundamental, os elétrons preenchem a banda de valência, enquanto não há elétrons na banda de condução. Quando um determinado campo elétrico é aplicado externamente ou uma corrente é injetada, alguns elétrons transitam da banda de valência para a banda de condução, formando pares elétron-lacuna. Durante o processo de liberação de energia, quando esses pares elétron-lacuna são estimulados pelo ambiente externo, fótons, ou seja, lasers, são gerados.
2. Métodos de excitação de lasers semicondutores
Existem principalmente três métodos de excitação para lasers semicondutores, a saber: tipo injeção elétrica, tipo bombeamento óptico e tipo excitação por feixe de elétrons de alta energia.
Lasers semicondutores com injeção elétrica: Geralmente, são diodos semicondutores de junção superficial feitos de materiais como arseneto de gálio (GaAs), sulfeto de cádmio (CdS), fosfeto de índio (InP) e sulfeto de zinco (ZnS). Eles são excitados pela injeção de corrente ao longo da polarização direta, gerando emissão estimulada na região do plano da junção.
Lasers semicondutores bombeados opticamente: Geralmente, cristais únicos semicondutores do tipo N ou do tipo P (como GaAs, InAs, InSb, etc.) são usados como substância de trabalho, e olaserA luz emitida por outros lasers é usada como excitação bombeada opticamente.
Lasers semicondutores excitados por feixe de elétrons de alta energia: Geralmente, também utilizam monocristais semicondutores do tipo N ou do tipo P (como PbS, CdS, ZnO, etc.) como material de trabalho e são excitados pela injeção de um feixe de elétrons de alta energia externo. Dentre os dispositivos laser semicondutores, o que apresenta melhor desempenho e maior aplicabilidade é o laser de diodo GaAs com dupla heteroestrutura e injeção elétrica.
3. Os principais tipos de lasers semicondutores
A região ativa de um laser semicondutor é a área central para a geração e amplificação de fótons, e sua espessura é de apenas alguns micrômetros. Estruturas de guia de onda internas são utilizadas para restringir a difusão lateral de fótons e aumentar a densidade de energia (como guias de onda de crista e heterojunções enterradas). O laser adota um projeto de dissipador de calor e seleciona materiais de alta condutividade térmica (como liga de cobre-tungstênio) para rápida dissipação de calor, o que pode evitar a deriva do comprimento de onda causada pelo superaquecimento. De acordo com sua estrutura e cenários de aplicação, os lasers semicondutores podem ser classificados nas seguintes quatro categorias:
Laser de emissão lateral (EEL)
O laser é emitido pela superfície de clivagem na lateral do chip, formando um ponto elíptico (com um ângulo de divergência de aproximadamente 30° × 10°). Os comprimentos de onda típicos incluem 808 nm (para bombeamento), 980 nm (para comunicação) e 1550 nm (para comunicação por fibra óptica). É amplamente utilizado em corte industrial de alta potência, fontes de bombeamento de laser de fibra óptica e redes de backbone de comunicação óptica.
2. Laser de Emissão de Superfície de Cavidade Vertical (VCSEL)
O laser é emitido perpendicularmente à superfície do chip, com um feixe circular e simétrico (ângulo de divergência <15°). Ele integra um refletor de Bragg distribuído (DBR), eliminando a necessidade de um refletor externo. É amplamente utilizado em sensoriamento 3D (como reconhecimento facial em celulares), comunicação óptica de curto alcance (data centers) e LiDAR.
3. Laser de Cascata Quântica (QCL)
Baseado na transição em cascata de elétrons entre poços quânticos, o comprimento de onda abrange a faixa do infravermelho médio ao distante (3-30 μm), sem a necessidade de inversão de população. Os fótons são gerados por meio de transições intersubbanda e são comumente usados em aplicações como sensoriamento de gases (como a detecção de CO₂), imagens em terahertz e monitoramento ambiental.
O design da cavidade externa do laser sintonizável (grade/prisma/espelho MEMS) permite uma faixa de sintonia de comprimento de onda de ±50 nm, com uma largura de linha estreita (<100 kHz) e uma alta taxa de rejeição de modos laterais (>50 dB). É comumente utilizado em aplicações como comunicação por multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM), análise espectral e imagens biomédicas. Os lasers semicondutores são amplamente utilizados em dispositivos de comunicação a laser, dispositivos de armazenamento digital a laser, equipamentos de processamento a laser, equipamentos de marcação e embalagem a laser, composição e impressão a laser, equipamentos médicos a laser, instrumentos de detecção de distância e colimação a laser, instrumentos e equipamentos a laser para entretenimento e educação, componentes e peças a laser, etc. Eles pertencem aos componentes principais da indústria de lasers. Devido à sua ampla gama de aplicações, existem inúmeras marcas e fabricantes de lasers. Ao escolher um laser, é importante considerar as necessidades específicas e os campos de aplicação. Diferentes fabricantes oferecem diferentes aplicações em diversos campos, e a seleção de fabricantes e lasers deve ser feita de acordo com o campo de aplicação real do projeto.
Data da publicação: 05/11/2025