Vi siete mai chiesti come un minuscolo semiconduttore possa produrre una potente luce laser? I laser a semiconduttore, fondamentali per le tecnologie che vanno dalle fibre ottiche ai dispositivi medici, si sono evoluti notevolmente dalla loro nascita nel 1962. Questo articolo ne esplora i principi di funzionamento, le tappe storiche e le diverse applicazioni. Scoprite come funzionano i laser a semiconduttore, i materiali coinvolti e il loro impatto rivoluzionario sulla tecnologia moderna. Immergetevi per capire il loro percorso dalla scienza di base fino a diventare una parte essenziale della tecnologia di tutti i giorni!
Dall'invenzione del primo laser a semiconduttore al mondo nel 1962, i laser a semiconduttore hanno subito enormi cambiamenti, favorendo notevolmente lo sviluppo di altre scienze e tecnologie, e sono considerati una delle più grandi invenzioni umane del XX secolo.
Negli ultimi decenni, lo sviluppo dei laser a semiconduttore è stato ancora più rapido, diventando una delle tecnologie laser in più rapida crescita al mondo.
L'applicazione dei laser a semiconduttore copre l'intero campo dell'optoelettronica ed è diventata oggi la tecnologia centrale della scienza optoelettronica.
Grazie ai vantaggi delle dimensioni ridotte, della struttura semplice, della bassa energia in ingresso, della lunga durata, della facilità di modulazione e del prezzo contenuto, i laser a semiconduttore sono oggi ampiamente utilizzati nel campo dell'optoelettronica e sono molto apprezzati dai Paesi di tutto il mondo.
Il laser a semiconduttore è un laser miniaturizzato con giunzione Pn o Pin composta da materiale semiconduttore a gap di banda diretto come materiale di lavoro.
Esistono decine di sostanze che funzionano con i laser a semiconduttore e i materiali semiconduttori che sono stati trasformati in laser includono l'arseniuro di gallio, l'arseniuro di indio, l'antimoniuro di indio, il solfuro di cadmio, il tellururo di cadmio, il seleniuro di piombo, il tellururo di piombo, l'arsenico di alluminio e gallio, l'arsenico di indio e fosforo, ecc.
Esistono tre metodi di eccitazione principali per i laser a semiconduttore, ovvero: il laser a semiconduttore e il laser a semiconduttore.
La maggior parte dei laser a semiconduttore viene eccitata tramite iniezione elettrica, ovvero viene applicata una tensione in avanti alla giunzione Pn per produrre un'emissione eccitata nella regione del piano di giunzione, che è un diodo polarizzato in avanti.
Pertanto, il laser a semiconduttore è chiamato anche diodo laser a semiconduttore.
Nei semiconduttori, poiché gli elettroni saltano tra bande energetiche piuttosto che tra livelli energetici discreti, l'energia di salto non è un valore definito, il che fa sì che la lunghezza d'onda di uscita dei laser a semiconduttore si estenda su un ampio intervallo.
Emettono lunghezze d'onda comprese tra 0,3 e 34 μm.
L'intervallo di lunghezze d'onda è determinato dal band gap energetico del materiale utilizzato, e il più comune è il laser a doppia eterogiunzione AlGaAs con una lunghezza d'onda di uscita compresa tra 750 e 890 nm.
Schema della struttura del laser
La tecnologia di produzione dei laser a semiconduttore è passata attraverso vari processi, dalla diffusione all'epitassia in fase liquida (LPE), all'epitassia in fase di vapore (VPE), all'epitassia a fascio molecolare (MBE), al metodo MOCVD (metal organic compound vapor deposition), all'epitassia a fascio chimico (CBE) e a varie combinazioni di questi.
Il principale svantaggio dei laser a semiconduttore è che le prestazioni del laser sono fortemente influenzate dalla temperatura e l'angolo di divergenza del fascio è ampio (generalmente compreso tra pochi gradi e 20 gradi), con conseguente scarsa direzionalità, monocromaticità e coerenza.
Tuttavia, con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia, la ricerca sui laser a semiconduttore sta avanzando in profondità e le prestazioni dei laser a semiconduttore sono in costante miglioramento.
I laser a semiconduttore, in quanto nucleo della tecnologia optoelettronica a semiconduttore nella società dell'informazione del XXI secolo, compiranno maggiori progressi e svolgeranno un ruolo più importante.
Il laser a semiconduttore è una sorgente di radiazioni coerenti e, affinché possa produrre luce laser, devono sussistere tre condizioni fondamentali:
1. Condizione di guadagno
Per stabilire la distribuzione di inversione dei portatori nel mezzo di eccitazione (regione attiva), l'energia degli elettroni in un semiconduttore è rappresentata da una serie di bande energetiche costituite da una serie di livelli energetici quasi continui.
Pertanto, per ottenere l'inversione del numero di particelle nei semiconduttori, è necessario trovarsi tra due regioni di bande energetiche.
Il numero di elettroni in fondo alla banda di conduzione, nello stato di energia superiore, è molto più grande del numero di buchi in cima alla banda di valenza, nello stato di energia inferiore. Ciò si ottiene aggiungendo una polarizzazione in avanti all'omo-giunzione o all'etero-giunzione e iniettando i portatori necessari nello strato attivo per eccitare gli elettroni dalla banda di valenza a bassa energia alla banda di conduzione a più alta energia.
L'emissione eccitata si verifica quando un gran numero di elettroni nello stato di inversione del numero di particelle si combina con le buche.
2. Per ottenere effettivamente la relativa radiazione stimolata
Per ottenere una retroazione multipla e la formazione di un'oscillazione laser, è necessario che nella cavità ottica risonante venga prodotta una radiazione eccitata.
La cavità risonante di un laser si forma utilizzando la soluzione superficiale naturale di un cristallo semiconduttore come riflettore, in genere con un film dielettrico multistrato altamente riflettente sull'estremità non emittente e un film parzialmente riflettente sul lato emittente.
Nel caso dei laser a semiconduttore a cavità F-p (cavità di Fabry-Perot), la cavità F-p può essere facilmente formata utilizzando il piano di soluzione naturale del cristallo perpendicolare al piano della giunzione p-n.
3. Per formare oscillazioni stabili, il mezzo laser deve essere in grado di fornire un guadagno sufficientemente grande
Per compensare la perdita ottica causata dalla cavità risonante e la perdita causata dall'uscita laser dalla superficie della cavità, è necessario aumentare costantemente il campo ottico nella cavità.
Ciò richiede un'iniezione di corrente sufficientemente forte, cioè una sufficiente inversione del numero di particelle. Più alto è il grado di inversione del numero di particelle, maggiore è il guadagno ottenuto, quindi è necessario soddisfare una certa condizione di soglia di corrente.
Quando il laser raggiunge il valore di soglia, la luce con una specifica lunghezza d'onda può risuonare nella cavità ed essere amplificata, formando infine un laser ed emettendo continuamente luce.
Si può notare che nei laser a semiconduttore il salto di dipolo di elettroni e buche è il processo fondamentale di emissione e amplificazione della luce.
Per i nuovi laser a semiconduttore, è ormai riconosciuto che i pozzi quantici sono la forza motrice fondamentale per lo sviluppo dei laser a semiconduttore.
La questione se i fili e i punti quantici possano sfruttare appieno gli effetti quantici si è estesa a questo secolo e gli scienziati hanno cercato di realizzare punti quantici in vari materiali con strutture auto-organizzate, mentre i punti quantici di GaInN sono stati utilizzati nei laser a semiconduttore.
I laser a semiconduttore sono stati sviluppati all'inizio degli anni '60 come laser a giunzione omogenea, ovvero diodi a giunzione pn realizzati su un unico materiale. Sottoposti a un'elevata iniezione di corrente in avanti, gli elettroni venivano continuamente iniettati nella regione p e le buche nella regione n, provocando un'inversione della distribuzione dei portatori nella zona di deplezione della giunzione pn originale. Poiché la velocità di migrazione degli elettroni è più rapida di quella delle buche, nella zona attiva si verifica l'emissione di radiazioni e particelle composte, che emettono fluorescenza e, in determinate condizioni, un laser a semiconduttore a forma di impulso.
La seconda fase dello sviluppo dei laser a semiconduttore è il laser a semiconduttore eterostrutturato, che consiste in due strati sottili di materiali semiconduttori con bandgap diverso, come GaAs e GaAlAs. Il primo è stato un laser a singola eterostruttura (1969). I laser a singola eterogiunzione a iniezione (SHLD) all'interno della zona p della giunzione GaAsP-N per ridurre la densità di corrente di soglia, il cui valore è di un ordine di grandezza inferiore a quello dei laser a omogiunzione, ma i laser a singola eterogiunzione non possono ancora funzionare in modo continuo a temperatura ambiente.
Dalla fine degli anni '70, i laser a semiconduttore si sono sviluppati chiaramente in due direzioni. Una è lo sviluppo di laser basati sull'informazione, con lo scopo di trasmettere informazioni, e l'altra è lo sviluppo di laser basati sulla potenza, con lo scopo di aumentare la potenza ottica. Ciò è stato determinato da applicazioni come i laser a stato solido pompati, e i laser a semiconduttore ad alta potenza (potenza di uscita continua di 100mw o più, potenza di uscita pulsata di 5W o più) sono ora considerati laser a semiconduttore ad alta potenza.
Negli anni '90 si è assistito a una svolta nella tecnologia dei laser a semiconduttore, caratterizzata da un significativo aumento della potenza di uscita dei laser a semiconduttore. Sono stati commercializzati laser a semiconduttore ad alta potenza della classe Kilowatt e la potenza dei dispositivi campione nazionali ha raggiunto i 600W. Anche le lunghezze d'onda dei laser si sono ampliate, passando dai laser a semiconduttore a infrarossi ai laser a semiconduttore rossi da 670 nm, seguiti dall'introduzione di lunghezze d'onda di 650 nm, 635 nm, blu-verde e blu. Sono stati sviluppati con successo anche laser a semiconduttore viola e ultravioletti su scala 10mW.
Alla fine degli anni '90, lo sviluppo di laser a emissione superficiale e di laser a cavità verticale a emissione superficiale è stato preso in considerazione per una serie di applicazioni nell'optoelettronica ultraparallela. I dispositivi a 980 nm, 850 nm e 780 nm sono stati resi pratici nei sistemi ottici. Attualmente, i laser a cavità verticale a emissione superficiale sono utilizzati nelle reti ad alta velocità per gigabit Ethernet.
I laser a semiconduttore sono una classe di laser che è maturata prima e ha progredito più rapidamente grazie alla loro ampia gamma di lunghezze d'onda, alla semplicità di produzione, al basso costo, alla facilità di produzione di massa, alle dimensioni ridotte, al peso leggero e alla lunga durata. Pertanto, il loro sviluppo è stato rapido e la gamma di applicazioni ha superato i 300 tipi.
(1) Comunicazione in fibra ottica:
I laser a semiconduttore sono l'unica fonte di luce pratica per i sistemi di comunicazione in fibra ottica e la comunicazione in fibra ottica è diventata il mainstream della tecnologia di comunicazione contemporanea.
(2) Accesso al disco ottico:
I laser a semiconduttore sono stati utilizzati per la memoria dei dischi ottici e il loro principale vantaggio è la grande quantità di informazioni sonore, testuali e grafiche memorizzate. L'uso di laser blu e verdi può migliorare notevolmente la densità di memorizzazione dei dischi ottici.
(3) Analisi spettrale:
I laser a semiconduttore sintonizzabili nell'infrarosso lontano sono stati utilizzati per l'analisi dei gas ambientali, il monitoraggio dell'inquinamento atmosferico, lo scarico delle automobili, ecc. Nell'industria, possono essere utilizzati per monitorare il processo di precipitazione in fase vapore.
(4) Elaborazione ottica delle informazioni:
I laser a semiconduttore sono stati utilizzati nei sistemi ottici di gestione delle informazioni. Gli array 2D di laser a semiconduttore a emissione superficiale sono sorgenti luminose ideali per i sistemi di elaborazione ottica parallela e saranno utilizzati nei computer e nelle reti neurali ottiche.
(5) Microfabbricazione laser:
I laser a semiconduttore Q-switched producono colpi di luce ultracorti ad alta energia per il taglio e la punzonatura dei circuiti integrati.
(6) Allarme laser:
Gli allarmi laser a semiconduttore sono utilizzati per un'ampia gamma di applicazioni, tra cui gli allarmi antifurto, gli allarmi di livello dell'acqua, gli allarmi di distanza delle auto, ecc.
(7) Stampanti laser:
I laser a semiconduttore ad alta potenza sono stati utilizzati nelle stampanti laser. L'uso di laser blu e verdi può migliorare notevolmente la velocità e la risoluzione di stampa.
(8) Scanner laser per codici a barre:
Gli scanner di codici a barre laser a semiconduttori sono stati ampiamente utilizzati per il merchandising e per la gestione di libri e file.
(9) Laser a stato solido pompato:
Si tratta di un'importante applicazione dei laser a semiconduttore ad alta potenza, il cui utilizzo, in sostituzione della lampada ad atmosfera originale, può costituire un sistema laser interamente a stato solido.
(10) TV laser ad alta definizione:
Nel prossimo futuro potranno essere immessi sul mercato televisori laser a semiconduttore senza tubo catodico, che utilizzano laser rossi, blu e verdi e che si stima consumino 20% in meno rispetto ai televisori attuali.
(1) Trattamento di chirurgia laser
I laser a semiconduttore sono stati utilizzati per l'escissione dei tessuti molli, l'unione dei tessuti, la coagulazione e la vaporizzazione. Sono stati ampiamente utilizzati in chirurgia generale, chirurgia plastica, dermatologia, urologia, ostetricia e ginecologia.
(2) Trattamento laser cinetico
Le sostanze fotosensibili con affinità per i tumori vengono raccolte selettivamente nei tessuti cancerosi e irradiate da un laser a semiconduttore per produrre specie reattive dell'ossigeno nei tessuti cancerosi, con l'obiettivo di provocare la necrosi senza alcun danno ai tessuti sani.
(3) Ricerca sulle scienze della vita
L'uso di "pinzette ottiche" laser a semiconduttore, che possono catturare cellule o cromosomi vivi e spostarli in qualsiasi posizione, è stato utilizzato per promuovere la sintesi cellulare, l'interazione tra cellule e altre ricerche, nonché come tecnica diagnostica per le scienze forensi.
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