Vous êtes-vous déjà demandé comment un minuscule semi-conducteur pouvait produire une puissante lumière laser ? Les lasers à semi-conducteurs, qui jouent un rôle essentiel dans des technologies allant de la fibre optique aux appareils médicaux, ont évolué de manière spectaculaire depuis leur création en 1962. Cet article explore leurs principes de fonctionnement, leurs étapes historiques et leurs diverses applications. Découvrez le fonctionnement des lasers à semi-conducteurs, les matériaux utilisés et leur impact révolutionnaire sur la technologie moderne. Plongez dans cet article pour comprendre leur parcours, de la science fondamentale à un élément essentiel de la technologie de tous les jours !
Depuis l'invention du premier laser à semi-conducteur au monde en 1962, les lasers à semi-conducteur ont connu des changements considérables, favorisant grandement le développement d'autres sciences et technologies, et sont considérés comme l'une des plus grandes inventions humaines du vingtième siècle.
Au cours des dernières décennies, le développement des lasers à semi-conducteurs a été encore plus rapide, ce qui en fait l'une des technologies laser dont la croissance est la plus rapide au monde.
L'application des lasers à semi-conducteurs couvre l'ensemble du domaine de l'optoélectronique et est devenue aujourd'hui la technologie de base de la science optoélectronique.
En raison de leur petite taille, de leur structure simple, de leur faible énergie d'entrée, de leur longue durée de vie, de leur facilité de modulation et de leur faible prix, les lasers à semi-conducteurs sont aujourd'hui largement utilisés dans le domaine de l'optoélectronique et sont très appréciés par les pays du monde entier.
Le laser à semi-conducteur est un laser miniaturisé avec une jonction Pn ou une jonction Pin composée d'un matériau semi-conducteur à bande interdite directe comme matériau de travail.
Il existe des dizaines de substances de travail pour les lasers à semi-conducteurs, et les matériaux semi-conducteurs qui ont été utilisés dans les lasers comprennent l'arséniure de gallium, l'arséniure d'indium, l'antimoniure d'indium, le sulfure de cadmium, le tellurure de cadmium, le séléniure de plomb, le tellurure de plomb, l'arsenic de gallium d'aluminium, l'arsenic de phosphore d'indium, etc.
Il existe trois méthodes d'excitation principales pour les lasers à semi-conducteurs, à savoir：
La plupart des lasers à semi-conducteurs sont excités par injection électrique, ce qui signifie qu'une tension directe est appliquée à la jonction Pn pour produire une émission excitée dans la région du plan de jonction, qui est une diode à polarisation directe.
C'est pourquoi le laser à semi-conducteur est également appelé diode laser à semi-conducteur.
Dans le cas des semi-conducteurs, comme les électrons sautent entre des bandes d'énergie plutôt qu'entre des niveaux d'énergie distincts, l'énergie de saut n'est pas une valeur définie, ce qui fait que la longueur d'onde de sortie des lasers à semi-conducteurs s'étend sur une large gamme.
Ils émettent des longueurs d'onde comprises entre 0,3 et 34 μm.
La gamme de longueurs d'onde est déterminée par la bande interdite du matériau utilisé, et le plus courant est le laser à double hétérojonction AlGaAs, dont la longueur d'onde de sortie est comprise entre 750 et 890 nm.
Schéma de la structure du laser
La technologie de fabrication des lasers à semi-conducteurs est passée par différents processus, de la 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 de composés organiques métalliques), l'épitaxie par faisceau chimique (CBE) et diverses combinaisons de ces méthodes.
Le principal inconvénient des lasers à semi-conducteurs est que leurs performances sont fortement influencées par la température et que l'angle de divergence du faisceau est important (généralement entre quelques degrés et 20 degrés), ce qui se traduit par une directionnalité, une monochromaticité et une cohérence médiocres.
Cependant, avec le développement rapide de la science et de la technologie, la recherche sur les lasers à semi-conducteurs progresse en profondeur et les performances des lasers à semi-conducteurs s'améliorent constamment.
Les lasers à semi-conducteurs, qui sont au cœur de la technologie optoélectronique des semi-conducteurs dans la société de l'information du 21e siècle, vont progresser davantage et jouer un rôle plus important.
Le laser à semi-conducteur est une source de rayonnement cohérent. Pour qu'il puisse produire de la lumière laser, trois conditions fondamentales doivent être remplies :
1. Condition de gain
Pour établir la distribution d'inversion des porteurs dans le milieu d'excitation (région active), l'énergie des électrons dans un semi-conducteur est représentée par une série de bandes d'énergie constituées d'une série de niveaux d'énergie presque continus.
Par conséquent, pour obtenir une inversion du nombre de particules dans les semi-conducteurs, il est nécessaire de se situer entre deux bandes d'énergie.
Le nombre d'électrons au bas de la bande de conduction dans l'état d'énergie supérieur est beaucoup plus important que le nombre de trous au sommet de la bande de valence dans l'état d'énergie inférieur. Pour ce faire, on ajoute une polarisation directe à l'homojonction ou à l'hétérojonction et on injecte les porteurs nécessaires dans la couche active pour exciter les électrons de la bande de valence d'énergie inférieure à la bande de conduction d'énergie supérieure.
L'émission excitée se produit lorsqu'un grand nombre d'électrons dans l'état d'inversion du nombre de particules se combinent avec des trous.
2. Pour obtenir effectivement le rayonnement stimulé correspondant
Pour obtenir une rétroaction multiple et la formation d'une oscillation laser, un rayonnement excité doit être produit dans la cavité optique résonante.
La cavité résonante d'un laser est formée en utilisant la solution de surface naturelle d'un cristal semi-conducteur comme réflecteur, généralement avec un film diélectrique multicouche hautement réfléchissant sur la partie non émettrice et un film partiellement réfléchissant sur la partie émettrice.
Dans le cas des lasers à semi-conducteurs à cavité F-p (cavité Fabry-Perot), la cavité F-p peut être facilement formée en utilisant le plan de solution naturelle du cristal perpendiculaire au plan de la jonction p-n.
3. Afin de former des oscillations stables, le milieu laser doit être capable de fournir un gain suffisamment important
Pour compenser la perte optique causée par la cavité résonnante et la perte causée par la sortie du laser de la surface de la cavité, il est nécessaire d'augmenter constamment le champ optique dans la cavité.
Cela nécessite une injection de courant suffisamment forte, c'est-à-dire une inversion suffisante du nombre de particules. Plus le degré d'inversion du nombre de particules est élevé, plus le gain obtenu est important ; il est donc nécessaire de respecter une certaine condition de seuil de courant.
Lorsque le laser atteint la valeur seuil, la lumière d'une longueur d'onde spécifique peut résonner dans la cavité et être amplifiée, pour finalement former un laser et émettre en continu.
On constate que dans les lasers à semi-conducteurs, le saut 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 désormais reconnu que les puits quantiques constituent la force motrice fondamentale pour le développement des lasers à semi-conducteurs.
La question de savoir si les fils et les points quantiques peuvent tirer pleinement parti des effets quantiques s'est prolongée au cours de ce siècle, et les scientifiques ont essayé de fabriquer des points quantiques dans divers matériaux avec des structures auto-organisées, tandis que les points quantiques GaInN ont été utilisés dans des lasers à semi-conducteurs.
Les lasers à semi-conducteurs ont été développés pour la première fois au début des années 1960 en tant que lasers à jonction homogène, qui étaient des diodes à jonction pn fabriquées à partir d'un seul matériau. Lorsqu'ils étaient soumis à une injection de courant direct élevée, les électrons étaient continuellement injectés dans la région p et les trous étaient continuellement injectés dans la région n, ce qui entraînait une inversion de la distribution des porteurs dans la zone de déplétion de la jonction pn d'origine. Étant donné que la vitesse de migration des électrons est plus rapide que la vitesse de migration des trous, l'émission de rayonnements et de particules composées se produit dans la zone active, émettant une fluorescence et, sous certaines conditions, un laser à semi-conducteur à forme d'impulsion se produit.
La deuxième étape du développement des lasers à semi-conducteurs est le laser à semi-conducteurs à hétérostructure, qui se compose de deux couches minces de matériaux semi-conducteurs à bande interdite différente, comme le GaAs et le GaAlAs. Le premier de ces lasers était un laser à hétérostructure unique (1969). Les lasers à injection à hétérojonction unique (SHLD) dans la zone p de la jonction GaAsP-N pour réduire la densité du courant de seuil, dont la valeur est inférieure d'un ordre de grandeur à celle des lasers à homojonction, mais les lasers à hétérojonction unique ne peuvent toujours pas fonctionner en continu à température ambiante.
Depuis la fin des années 1970, les lasers à semi-conducteurs ont clairement évolué dans deux directions. L'une est le développement de lasers basés sur l'information dans le but de transmettre des informations, et l'autre est le développement de lasers basés sur la puissance dans le but d'augmenter la puissance optique. Cette évolution a été stimulée par des applications telles que les lasers à semi-conducteurs pompés, et les lasers à semi-conducteurs de haute puissance (puissance de sortie continue de 100 mw ou plus, puissance de sortie pulsée de 5 W ou plus) sont désormais considérés comme des lasers à semi-conducteurs de haute puissance.
Dans les années 1990, la technologie des lasers à semi-conducteurs a connu une percée marquée par une augmentation significative de la puissance de sortie des lasers à semi-conducteurs. Des lasers à semi-conducteurs de grande puissance de l'ordre du kilowatt ont été commercialisés, et la puissance de sortie d'échantillons nationaux a atteint 600W. Les longueurs d'onde des lasers se sont également étendues, passant des lasers à semi-conducteurs infrarouges aux lasers à semi-conducteurs rouges de 670 nm, suivis par l'introduction de longueurs d'onde de 650 nm, 635 nm, bleu-vert et lasers à semi-conducteurs bleus. Des lasers à semi-conducteurs violets et même ultraviolets d'une puissance de 10 mW ont également été développés avec succès.
À la fin des années 1990, le développement de lasers à émission de surface et de lasers à émission de surface à cavité verticale a été envisagé pour une variété d'applications en optoélectronique ultra-parallèle. Des dispositifs à 980 nm, 850 nm et 780 nm ont été rendus pratiques dans les systèmes optiques. Actuellement, les lasers à cavité verticale émettant par la surface sont utilisés dans les réseaux à grande vitesse pour l'Ethernet gigabit.
Les lasers à semi-conducteurs sont une catégorie de lasers qui a mûri plus tôt et progressé plus rapidement en raison de leur large gamme de longueurs d'onde, de leur production simple, de leur faible coût, de leur production de masse facile, de leur petite taille, de leur poids léger et de leur longue durée de vie. Par conséquent, leur développement a été rapide et la gamme d'applications a maintenant dépassé les 300 types.
(1) Communication par fibre optique :
Les lasers à semi-conducteurs sont la seule source de lumière pratique pour les systèmes 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 optique :
Les lasers à semi-conducteurs ont été utilisés pour la mémoire des disques optiques, et leur principal avantage est la grande quantité d'informations sonores, textuelles et graphiques stockées. L'utilisation de lasers bleus et verts peut améliorer considérablement la densité de stockage des disques optiques.
(3) Analyse spectrale :
Les lasers à semi-conducteurs accordables dans l'infrarouge lointain ont été utilisés pour l'analyse des gaz dans l'environnement, la surveillance de la pollution atmosphérique, les gaz d'échappement des automobiles, etc. Dans l'industrie, ils peuvent être utilisés pour surveiller le processus de précipitation en phase vapeur.
(4) Traitement optique de l'information :
Les lasers à semi-conducteurs ont été utilisés dans les systèmes optiques de gestion de l'information. Les réseaux 2D de lasers à semi-conducteurs émettant par la surface sont des sources lumineuses idéales pour les systèmes de traitement parallèle optique et seront utilisés dans les ordinateurs et les réseaux neuronaux optiques.
(5) Microfabrication par laser :
Les lasers à semi-conducteurs à commutation Q produisent des coups de lumière ultra-courts à haute énergie pour la découpe et le poinçonnage des circuits intégrés.
(6) Alarme laser :
Les alarmes laser à semi-conducteurs sont utilisées pour un large éventail d'applications, notamment les alarmes antivol, les alarmes de niveau d'eau, les alarmes de distance pour les voitures, etc.
(7) Imprimantes laser :
Des lasers semi-conducteurs de haute puissance ont été utilisés dans les imprimantes laser. L'utilisation de lasers bleus et verts permet d'améliorer considérablement la vitesse et la résolution de l'impression.
(8) Scanner laser de codes-barres :
Les lecteurs de codes-barres laser à semi-conducteurs ont été largement utilisés pour le merchandising, ainsi que pour la gestion des livres et des dossiers.
(9) Lasers à solide pompés :
Il s'agit d'une application importante des lasers à semi-conducteurs de haute puissance. En les utilisant pour remplacer la lampe à atmosphère d'origine, on peut constituer un système laser entièrement à l'état solide.
(10) Télévision laser haute définition :
Dans un avenir proche, des téléviseurs à laser à semi-conducteur sans tube cathodique pourront être mis sur le marché. Ces téléviseurs utilisent des lasers rouges, bleus et verts et devraient consommer 20% d'énergie en moins que les téléviseurs actuels.
(1) Traitement chirurgical au laser
Les lasers à semi-conducteurs ont été utilisés pour l'excision des tissus mous, la jonction des tissus, la coagulation et la vaporisation. Ils ont été largement utilisés en chirurgie générale, en chirurgie plastique, en dermatologie, en urologie, en obstétrique et en gynécologie.
(2) Traitement cinétique au laser
Des substances photosensibles ayant une affinité pour les tumeurs sont rassemblées de manière sélective dans les tissus cancéreux et irradiées par un laser à semi-conducteur afin de produire des espèces réactives de l'oxygène dans les tissus cancéreux, dans le but de les nécroser sans endommager les tissus sains.
(3) Recherche en sciences de la vie
L'utilisation de "pinces optiques" à laser semi-conducteur, qui peuvent capturer des cellules vivantes ou des chromosomes et les déplacer à n'importe quel endroit, a été utilisée pour promouvoir la synthèse cellulaire, l'interaction cellulaire et d'autres recherches, ainsi qu'en tant que technique de diagnostic pour les sciences médico-légales.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
FR 
EN 
AR 
DE 
ES 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
RU 
KO