파이버 레이저와 솔리드 스테이트 레이저: 차이점 설명
다음 프로젝트를 위해 파이버 레이저와 고체 레이저 중 어떤 것을 선택해야 할지 고민 중이신가요? 이 기사에서는 응용 분야, 정밀도 및 성능의 주요 차이점을 살펴봅니다. 이를 이해함으로써...
작은 반도체가 어떻게 강력한 레이저 빛을 낼 수 있는지 궁금한 적이 있나요? 광섬유에서 의료 기기에 이르기까지 기술의 중추적인 역할을 하는 반도체 레이저는 1962년 처음 등장한 이래 극적으로 발전해 왔습니다. 이 글에서는 반도체 레이저의 작동 원리, 역사적 이정표, 다양한 응용 분야를 살펴봅니다. 반도체 레이저의 작동 원리, 관련 재료, 현대 기술에 미친 획기적인 영향에 대해 알아보세요. 기초 과학에서 일상 기술의 필수 요소로 자리 잡은 반도체 레이저의 여정을 자세히 알아보세요!
1962년 세계 최초의 반도체 레이저가 발명된 이후 반도체 레이저는 엄청난 변화를 겪으며 다른 과학과 기술의 발전을 크게 촉진했으며, 20세기 최고의 인류 발명품 중 하나로 꼽힙니다.
최근 수십 년 동안 반도체 레이저의 발전은 더욱 가속화되어 세계에서 가장 빠르게 성장하는 레이저 기술 중 하나가 되었습니다.
반도체 레이저의 응용은 광전자공학의 전 분야를 포괄하며 오늘날 광전자공학의 핵심 기술로 자리 잡았습니다.
반도체 레이저는 작은 크기, 간단한 구조, 낮은 입력 에너지, 긴 수명, 쉬운 변조, 저렴한 가격 등의 장점으로 인해 현재 광전자 분야에서 널리 사용되며 세계 각국에서 높은 가치를 인정받고 있습니다.
반도체 레이저는 직접 밴드 갭 반도체 물질을 작업 재료로 하여 Pn 접합 또는 핀 접합으로 구성된 소형화된 레이저입니다.
반도체 레이저 작동 물질에는 수십 가지가 있으며, 레이저로 만들어진 반도체 재료에는 갈륨 비소, 인듐 비소, 안티몬화 인듐, 황화 카드뮴, 텔루라이드 카드뮴, 셀렌화 납, 텔루라이드 납, 알루미늄 갈륨 비소, 인화 인듐 비소 등이 있습니다.
반도체 레이저에는 세 가지 주요 여기 방법이 있습니다.
대부분의 반도체 레이저는 전기 주입에 의해 여기되는데, 이는 순방향 바이어스 다이오드인 접합면 영역에서 여기된 방출을 생성하기 위해 순방향 전압을 Pn 접합에 인가하는 것을 의미합니다.
따라서 반도체 레이저는 반도체 레이저 다이오드라고도 합니다.
반도체의 경우 전자가 개별 에너지 레벨 사이가 아닌 에너지 대역 사이에서 점프하기 때문에 점프 에너지가 확실한 값이 아니므로 반도체 레이저의 출력 파장이 넓은 범위에 걸쳐 퍼지게 됩니다.
0.3~34μm 범위의 파장을 방출합니다.
파장 범위는 사용되는 재료의 에너지 밴드 갭에 따라 결정되며, 가장 일반적인 것은 출력 파장이 750~890nm인 AlGaAs 이중 헤테로 접합 레이저입니다.
레이저 구조의 개략도
반도체 레이저의 제조 기술은 확산부터 액상 에피택시(LPE), 기상 에피택시(VPE), 분자 빔 에피택시(MBE), MOCVD 방식(금속 유기 화합물 기상 증착), 화학 빔 에피택시(CBE) 및 이들의 다양한 조합까지 다양한 과정을 거쳤습니다.
반도체 레이저의 가장 큰 단점은 레이저 성능이 온도에 크게 영향을 받고 빔의 발산각이 커서(일반적으로 몇 도에서 20도 사이) 방향성, 단색성 및 일관성이 떨어진다는 점입니다.
그러나 과학 기술의 급속한 발전과 함께 반도체 레이저에 대한 연구는 심도 있는 방향으로 발전하고 있으며 반도체 레이저의 성능은 지속적으로 향상되고 있습니다.
21세기 정보화 사회에서 반도체 광전자 기술의 핵심인 반도체 레이저는 더 큰 발전과 더 큰 역할을 할 것입니다.
반도체 레이저는 일관된 방사선으로, 레이저 광을 생성하기 위해서는 세 가지 기본 조건이 있어야 합니다:
1. 이득 조건
여기 매체(활성 영역)에서 캐리어의 반전 분포를 설정하기 위해 반도체의 전자 에너지는 거의 연속적인 일련의 에너지 레벨로 구성된 일련의 에너지 대역으로 표현됩니다.
따라서 반도체에서 입자 수 반전을 달성하려면 두 에너지 대역 영역 사이에 위치해야 합니다.
높은 에너지 상태의 전도대 하단에 있는 전자의 수는 낮은 에너지 상태의 원자가대 상단에 있는 정공의 수보다 훨씬 큽니다. 이는 동접합 또는 헤테로접합에 순방향 바이어스를 추가하고 필요한 캐리어를 활성층에 주입하여 전자를 낮은 에너지 원자가 밴드에서 높은 에너지 전도 밴드로 여기시킴으로써 달성할 수 있습니다.
여기 방출은 입자 수 반전 상태의 많은 수의 전자가 정공과 결합할 때 발생합니다.
2. 실제로 관련 자극 방사선을 얻으려면
다중 피드백 및 레이저 진동의 형성을 달성하려면 광학 공진 캐비티에서 여기된 방사선이 만들어져야 합니다.
레이저의 공진 캐비티는 반도체 결정의 자연 표면 용액을 반사판으로 사용하여 형성되며, 일반적으로 비발광 측에는 고반사 다층 유전체 필름이, 발광 측에는 부분 반사 필름이 있습니다.
F-p 캐비티(파브리-페로 캐비티) 반도체 레이저의 경우, p-n 접합면과 수직인 결정의 자연 용액면을 이용하여 쉽게 F-p 캐비티를 형성할 수 있습니다.
3. 안정적인 진동을 형성하려면 레이저 매체가 충분히 큰 이득을 제공할 수 있어야 합니다.
공진 캐비티로 인한 광학 손실과 캐비티 표면에서 레이저 출력으로 인한 손실을 보정하려면 캐비티의 광학장을 지속적으로 증가시켜야 합니다.
이를 위해서는 충분히 강한 전류 주입, 즉 충분한 입자 수 반전이 필요합니다. 입자 수 반전 정도가 높을수록 더 큰 이득을 얻을 수 있으므로 특정 전류 임계값 조건을 충족해야 합니다.
레이저가 임계값에 도달하면 특정 파장의 빛이 캐비티에서 공명하고 증폭되어 결국 레이저를 형성하고 지속적으로 출력할 수 있습니다.
반도체 레이저에서 전자와 정공의 쌍극자 도약은 기본적인 발광 및 광 증폭 과정이라는 것을 알 수 있습니다.
새로운 반도체 레이저의 경우 양자 우물이 반도체 레이저 개발의 근본적인 원동력으로 인식되고 있습니다.
양자 와이어와 양자점이 양자 효과를 최대한 활용할 수 있는지에 대한 주제는 금세기까지 이어져 왔으며, 과학자들은 자기 조직 구조를 가진 다양한 재료로 양자점을 만들려고 노력해 왔고, 반도체 레이저에는 GaInN 양자점이 사용되었습니다.
반도체 레이저는 1960년대 초에 단일 재료로 만든 pn 접합 다이오드인 균질 접합 레이저로 처음 개발되었습니다. 높은 순방향 전류를 주입하면 전자는 p 영역으로 연속적으로 주입되고 정공은 n 영역으로 연속적으로 주입되어 원래의 pn 접합 공핍 영역에서 캐리어 분포가 역전되는 현상이 발생했습니다. 전자 이동 속도가 정공 이동 속도보다 빠르기 때문에 활성 영역에서 방사선 및 화합물 입자의 방출이 발생하여 형광을 방출하고 특정 조건에서 펄스 형태의 반도체 레이저가 발생합니다.
반도체 레이저 개발의 두 번째 단계는 GaAs와 GaAlAs와 같은 두 개의 서로 다른 밴드갭 반도체 재료 박막으로 구성된 이종 구조 반도체 레이저입니다. 이 중 첫 번째는 단일 이종 구조 레이저(1969년)였습니다. 단일 헤테로 접합 사출 레이저(SHLD)는 GaAsP-N 접합의 p-영역 내에서 단일 헤테로 접합 사출 레이저를 사용하여 문턱 전류 밀도를 낮추어 동종 접합 레이저보다 그 값이 훨씬 낮지만 단일 헤테로 접합 레이저는 여전히 실온에서 연속적으로 작동할 수 없습니다.
1970년대 후반부터 반도체 레이저는 두 가지 방향으로 뚜렷하게 발전해 왔습니다. 하나는 정보 전송을 목적으로 하는 정보 기반 레이저의 개발이고, 다른 하나는 광 출력을 높이기 위한 출력 기반 레이저의 개발입니다. 이는 펌핑 고체 레이저와 같은 응용 분야에 의해 주도되었으며, 현재 고출력 반도체 레이저(연속 출력 100mw 이상, 펄스 출력 5W 이상)는 고출력 반도체 레이저로 간주됩니다.
1990년대에는 반도체 레이저의 출력이 크게 증가하면서 반도체 레이저 기술에 획기적인 발전이 있었습니다. 킬로와트급 고출력 반도체 레이저가 상용화되었고, 국내 샘플 기기의 출력은 600W에 달했습니다. 레이저 파장도 적외선 반도체 레이저에서 670nm 적색 반도체 레이저로 확대된 데 이어 650nm, 635nm, 청록색, 청색 반도체 레이저의 파장이 도입되었습니다. 10mW급 바이올렛, 심지어 자외선 반도체 레이저도 성공적으로 개발되었습니다.
1990년대 후반, 표면 방출 레이저와 수직 공동 표면 방출 레이저의 개발은 초평행 광전자공학의 다양한 응용 분야에서 고려되었습니다. 980nm, 850nm, 780nm의 디바이스가 광학 시스템에서 실용화되었습니다. 현재 수직 캐비티 표면 방출 레이저는 기가비트 이더넷용 고속 네트워크에 사용되고 있습니다.
반도체 레이저는 넓은 파장 범위, 간단한 생산, 저렴한 비용, 쉬운 대량 생산, 작은 크기, 가벼운 무게, 긴 수명으로 인해 더 일찍 성숙하고 더 빠르게 발전한 레이저의 한 종류입니다. 따라서 발전 속도가 빨라 현재 응용 분야가 300종을 넘어섰습니다.
(1) 광섬유 통신:
반도체 레이저는 광섬유 통신 시스템을 위한 유일한 실용적인 광원이며, 광섬유 통신은 현대 통신 기술의 주류가 되었습니다.
(2) 광디스크 액세스:
반도체 레이저는 광디스크 메모리에 사용되어 왔으며, 가장 큰 장점은 많은 양의 사운드, 텍스트, 그래픽 정보를 저장할 수 있다는 점입니다. 청색 및 녹색 레이저를 사용하면 광디스크의 저장 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
(3) 스펙트럼 분석:
원적외선 튜너블 반도체 레이저는 환경 가스 분석, 대기 오염 모니터링, 자동차 배기가스 등에 사용되어 왔습니다. 산업 분야에서는 증기상 강수 과정을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.
(4) 광학 정보 처리:
반도체 레이저는 광학 정보 관리 시스템에 사용되어 왔습니다. 표면 방출 반도체 레이저 2D 어레이는 광학 병렬 처리 시스템에 이상적인 광원이며 컴퓨터와 광학 신경망에 사용됩니다.
(5) 레이저 미세 가공:
Q-스위치 반도체 레이저는 집적 회로의 절단 및 펀칭을 위한 고에너지 초단파 스트로크를 생성합니다.
(6) 레이저 알람:
반도체 레이저 경보기는 도난 경보, 수위 경보, 차량 거리 경보 등 다양한 애플리케이션에 사용됩니다.
(7) 레이저 프린터:
레이저 프린터에는 고출력 반도체 레이저가 사용되어 왔습니다. 청색 및 녹색 레이저를 사용하면 인쇄 속도와 해상도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
(8) 레이저 바코드 스캐너:
반도체 레이저 바코드 스캐너는 도서 및 파일 관리뿐만 아니라 상품화에도 널리 사용되고 있습니다.
(9) 펌핑된 고체 레이저:
이것은 고출력 반도체 레이저의 중요한 응용 분야로, 원래의 대기 램프를 대체하는 데 사용하면 모든 고체 레이저 시스템을 구성할 수 있습니다.
(10) 고화질 레이저 TV:
가까운 미래에 음극선관이 없는 반도체 레이저 TV가 출시될 수 있는데, 이 제품은 적색, 청색, 녹색 레이저를 활용하며 기존 TV보다 전력 소비량이 20% 적을 것으로 예상됩니다.
(1) 레이저 수술 치료
반도체 레이저는 연조직 절제, 조직 결합, 응고, 기화 등에 사용되어 왔습니다. 일반외과, 성형외과, 피부과, 비뇨기과, 산부인과에서 널리 사용되어 왔습니다.
(2) 레이저 운동 치료
종양과 친화력이 있는 광과민성 물질을 암 조직에 선택적으로 모아 반도체 레이저를 조사하여 암 조직에 활성 산소종을 생성하여 건강한 조직은 손상시키지 않고 괴사시키는 것을 목표로 하는 치료법입니다.
(3) 생명 과학 연구
살아있는 세포나 염색체를 캡처하여 원하는 위치로 이동할 수 있는 반도체 레이저 '광학 핀셋'은 세포 합성, 세포 상호 작용 및 기타 연구뿐만 아니라 법의학 진단 기술에도 사용되고 있습니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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