Sviluppo tecnologico dei laser a semiconduttore

Laser a semiconduttoresono comunemente noti come diodi laser. Sono chiamati laser a semiconduttore perché utilizzano materiali semiconduttori come sostanza di lavoro. I laser a semiconduttore sono composti da moduli laser a semiconduttore accoppiati a fibra, dispositivi di combinazione di raggi, cavi ottici per la trasmissione dell'energia laser, sistemi di alimentazione, sistemi di controllo e strutture meccaniche. L'uscita del laser viene ottenuta sotto la guida e il monitoraggio del sistema di alimentazione e del sistema di controllo.

1. Introduzione ai laser a semiconduttore
I laser a semiconduttore sono comunemente noti come diodi laser. Sono chiamati laser a semiconduttore perché utilizzano materiali semiconduttori come sostanza di lavoro. I laser a semiconduttore sono composti da moduli laser a semiconduttore accoppiati a fibra, dispositivi di combinazione di raggi, cavi ottici per la trasmissione dell'energia laser, sistemi di alimentazione, sistemi di controllo e strutture meccaniche. L'uscita del laser viene ottenuta sotto la guida e il monitoraggio del sistema di alimentazione e del sistema di controllo. I materiali di lavoro comunemente usati per i laser a semiconduttore includono arseniuro di gallio (GaAs), solfuro di cadmio (CdS), fosfuro di indio (InP), solfuro di zinco (ZnS), ecc. Esistono tre metodi principali di eccitazione in base ai diversi materiali di lavoro: iniezione elettrica, pompa tipo ed eccitazione del fascio di elettroni ad alta energia.

（1）. L'iniezione elettrica è un laser a semiconduttore
Generalmente, materiali di lavoro come GaAS, CdS, InP e ZnS vengono utilizzati come materiali principali per realizzare diodi a giunzione a semiconduttore. Quando viene ricevuta l'iniezione elettrica, il materiale di lavoro viene eccitato lungo la corrente iniettata con polarizzazione diretta, in modo che nell'area del piano del nodo si produca un'emissione stimolata.

（2）. Laser punp
Generalmente, come materiale di lavoro viene utilizzato il monocristallo di germanio (singolo cristallo a semiconduttore di tipo P) con fori come portatori o il monocristallo di germanio con elettroni come portatori (singolo cristallo a semiconduttore di tipo N) drogato con impurità accettrici nel cristallo. e utilizzare laser emessi da altri laser come eccitazioni di pompa per ottenere l'inversione della popolazione.

（3）. Laser a semiconduttore eccitato con fascio di elettroni ad alta energia
Generalmente, la selezione dei materiali di lavoro è simile a quella dei laser a pompa e vengono utilizzati anche cristalli singoli di germanio semiconduttore. Tuttavia, vale la pena notare che nella selezione dei singoli cristalli semiconduttori di tipo P, i laser a semiconduttore di eccitazione del fascio di elettroni ad alta energia utilizzano principalmente PbS. Principalmente CbS e ZnO.

Esistono molti tipi di laser a semiconduttore e numerosi metodi di classificazione basati sui parametri del chip e sui metodi di confezionamento. Tra questi, i principali metodi di classificazione dei laser a semiconduttore con uscita in fibra sono i seguenti:

2. Sviluppo della tecnologia laser a semiconduttore
Dall'invenzione del primo laser a semiconduttore al mondo nel 1962, i laser a semiconduttore hanno subito enormi cambiamenti e hanno notevolmente promosso lo sviluppo di altre scienze e tecnologie.

Negli ultimi anni, i laser a semiconduttore a bassa potenza utilizzati nel campo della tecnologia dell’informazione si sono sviluppati rapidamente. Ad esempio, i diodi laser DFB e dinamici monomodali utilizzati per le comunicazioni in fibra ottica, nonché i diodi laser a lunghezza d'onda della luce visibile ampiamente utilizzati nella lavorazione dei dischi ottici e persino i diodi laser a impulsi ultracorti hanno compiuto sostanziali progressi innovativi.

Gli stessi diodi laser a bassa potenza hanno anche le caratteristiche di sviluppo di elevata integrazione, alta velocità e sintonizzabilità. Anche lo sviluppo di laser a semiconduttore ad alta potenza su larga scala sta accelerando.

Negli anni '80, la potenza di uscita dei diodi laser indipendenti era superiore a 100 mW e raggiungeva un'efficienza di conversione del 39%. Negli anni '90, gli americani hanno nuovamente innalzato l'indicatore a un nuovo livello, raggiungendo un'efficienza di conversione del 45%. In termini di potenza di uscita, anche il livello è passato da W a KW.

Attualmente, con il supporto di progetti di ricerca e sviluppo in vari paesi, le tecnologie laser come la struttura dei chip, la crescita epitassiale e il confezionamento dei laser a semiconduttore hanno fatto grandi progressi, e anche le prestazioni dei dispositivi unitari hanno raggiunto importanti scoperte: l'elettro- l'efficienza di conversione ottica ha raggiunto oltre il 70%, che è molto bassa. L'angolo di divergenza del raggio, la potenza di uscita continua di una singola barra supera i kilowatt e l'uso del dissipatore di calore in nano carbonio (CN) può aumentare l'efficienza di raffreddamento del laser del 30% rispetto alla tradizionale tecnologia di installazione delle barre a semiconduttore. La potenza di uscita di un singolo tubo con una larghezza di 100μm raggiunge i 24,6 W e la durata operativa continua ad alta potenza è di decine di migliaia di ore.

Anche i laser a semiconduttore ad alta efficienza e ad alta potenza si sono rapidamente sviluppati in laser completamente solidificati, offrendo ai laser a stato solido LDP nuove opportunità e prospettive di sviluppo.

3. Dimensioni del mercato dei laser a semiconduttore
I laser a semiconduttore presentano i vantaggi di dimensioni ridotte, leggerezza, lunga durata, elevata affidabilità operativa, basso consumo energetico, elevata efficienza di conversione elettro-ottica, facile produzione di massa e prezzo basso. Sono ampiamente utilizzati nei giradischi laser CD, nelle comunicazioni in fibra ottica, nelle memorie ottiche e nei laser. Stampanti, ecc. sono state ampiamente utilizzate, coprendo l'intero campo dell'optoelettronica.

Con il continuo sviluppo e innovazione della tecnologia, i laser a semiconduttore si stanno sviluppando nella direzione di una lunghezza d'onda di emissione più breve, una maggiore potenza di emissione, dimensioni ultra-piccole e lunga durata per soddisfare le esigenze di varie applicazioni, e i tipi di prodotti stanno diventando sempre più ricchi. È stato ampiamente utilizzato anche nella lavorazione laser, nella stampa 3D, nel radar laser, nel raggio laser, nelle scienze mediche e della vita, ecc. Inoltre, i laser a semiconduttore diretti ad alta potenza sono ampiamente utilizzati nei campi di taglio e saldatura accoppiandosi a fibre ottiche per la trasmissione .

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