Já se interrogou como é que um pequeno semicondutor pode produzir uma poderosa luz laser? Os lasers de semicondutores, fundamentais em tecnologias que vão desde a fibra ótica aos dispositivos médicos, evoluíram drasticamente desde a sua criação em 1962. Este artigo explora os seus princípios de funcionamento, marcos históricos e diversas aplicações. Descubra como funcionam os lasers de semicondutores, os materiais envolvidos e o seu impacto inovador na tecnologia moderna. Mergulhe para compreender o seu percurso desde a ciência básica até ser uma parte essencial da tecnologia quotidiana!
Desde a invenção do primeiro laser de semicondutores do mundo em 1962, os lasers de semicondutores sofreram enormes mudanças, promovendo grandemente o desenvolvimento de outras ciências e tecnologias, e são considerados uma das maiores invenções humanas do século XX.
Nas últimas décadas, o desenvolvimento dos lasers de semicondutores tem sido ainda mais rápido, tornando-se numa das tecnologias laser de mais rápido crescimento no mundo.
A aplicação de lasers de semicondutores abrange todo o campo da optoelectrónica e tornou-se a tecnologia central da ciência optoelectrónica atual.
Devido às vantagens das dimensões reduzidas, da estrutura simples, da baixa energia de entrada, da longa duração, da fácil modulação e do baixo preço dos lasers de semicondutores, estes são agora amplamente utilizados no domínio da optoelectrónica e são muito apreciados por países de todo o mundo.
O laser de semicondutores é um laser miniaturizado com junção Pn ou junção Pin composta por material semicondutor de intervalo de banda direto como material de trabalho.
Existem dezenas de substâncias de trabalho para lasers semicondutores, e os materiais semicondutores que foram transformados em lasers incluem arsenieto de gálio, arsenieto de índio, antimoneto de índio, sulfureto de cádmio, telureto de cádmio, seleneto de chumbo, telureto de chumbo, arsenieto de alumínio e gálio, arsenieto de índio e fósforo, etc.
Existem três métodos principais de excitação para lasers de semicondutores, ou seja:：
A maioria dos lasers de semicondutores é excitada por injeção eléctrica, o que significa que é aplicada uma tensão direta à junção Pn para produzir uma emissão excitada na região do plano da junção, que é um díodo com polarização direta.
Por conseguinte, o laser de semicondutores é também designado por díodo laser de semicondutores.
No caso dos semicondutores, uma vez que os electrões saltam entre bandas de energia e não entre níveis de energia discretos, a energia de salto não é um valor definido, o que faz com que o comprimento de onda de saída dos lasers de semicondutores se estenda por uma vasta gama.
Emitem comprimentos de onda na gama de 0,3 a 34 μm.
A gama de comprimentos de onda é determinada pelo intervalo de energia do material utilizado, sendo o mais comum o laser de dupla heterojunção AlGaAs com um comprimento de onda de saída de 750 a 890 nm.
Diagrama esquemático da estrutura do laser
A tecnologia de fabrico de lasers de semicondutores passou por vários processos, desde a difusão até à epitaxia em fase líquida (LPE), epitaxia em fase de vapor (VPE), epitaxia por feixe molecular (MBE), método MOCVD (deposição de vapor de compostos orgânicos metálicos), epitaxia por feixe químico (CBE) e várias combinações destes.
A maior desvantagem dos lasers de semicondutores é que o desempenho do laser é muito afetado pela temperatura e o ângulo de divergência do feixe é grande (geralmente entre alguns graus e 20 graus), o que resulta numa fraca direccionalidade, monocromaticidade e coerência.
No entanto, com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a investigação sobre lasers de semicondutores está a avançar no sentido da profundidade e o desempenho dos lasers de semicondutores está a melhorar constantemente.
Os lasers de semicondutores, enquanto núcleo da tecnologia optoelectrónica de semicondutores na sociedade da informação do século XXI, farão maiores progressos e desempenharão um papel mais importante.
O laser de semicondutores é uma fonte de radiação coerente, para que possa produzir luz laser, devem existir três condições básicas:
1. Condição de ganho
Para estabelecer a distribuição de inversão dos portadores no meio de excitação (região ativa), a energia dos electrões num semicondutor é representada por uma série de bandas de energia constituídas por uma série de níveis de energia quase contínuos.
Por conseguinte, para conseguir a inversão do número de partículas nos semicondutores, é necessário estar entre duas regiões de bandas de energia.
O número de electrões no fundo da banda de condução no estado de energia mais elevado é muito superior ao número de buracos no topo da banda de valência no estado de energia mais baixo. Isto é conseguido adicionando uma polarização direta à homojunção ou heterojunção e injectando os portadores necessários na camada ativa para excitar os electrões da banda de valência de energia mais baixa para a banda de condução de energia mais elevada.
A emissão excitada ocorre quando um grande número de electrões no estado de inversão do número de partículas se combina com buracos.
2. Para obter efetivamente a radiação estimulada relevante
Para obter uma realimentação múltipla e a formação de oscilações laser, é necessário produzir radiação excitada na cavidade de ressonância ótica.
A cavidade ressonante de um laser é formada pela utilização da solução natural da superfície de um cristal semicondutor como refletor, normalmente com uma película dieléctrica multicamada altamente reflectora na extremidade não emissora e uma película parcialmente reflectora no lado emissor.
No caso dos lasers de semicondutores com cavidade F-p (cavidade Fabry-Perot), a cavidade F-p pode ser facilmente formada utilizando o plano de solução natural do cristal perpendicular ao plano da junção p-n.
3. Para formar oscilações estáveis, o meio laser deve ser capaz de proporcionar um ganho suficientemente grande
Para compensar a perda ótica causada pela cavidade ressonante e a perda causada pela saída do laser da superfície da cavidade, é necessário aumentar constantemente o campo ótico na cavidade.
Para tal, é necessária uma injeção de corrente suficientemente forte, ou seja, uma inversão suficiente do número de partículas. Quanto maior for o grau de inversão do número de partículas, maior será o ganho obtido, pelo que é necessário cumprir uma determinada condição de limiar de corrente.
Quando o laser atinge o valor limite, a luz com um comprimento de onda específico pode ressoar na cavidade e ser amplificada, formando eventualmente um laser e emitindo continuamente.
Pode verificar-se que, nos lasers de semicondutores, o salto dipolar dos electrões e dos buracos é o processo básico de emissão e amplificação da luz.
Para os novos lasers de semicondutores, reconhece-se atualmente que os poços quânticos são a força motriz fundamental para o desenvolvimento de lasers de semicondutores.
A questão de saber se os fios quânticos e os pontos quânticos podem tirar pleno partido dos efeitos quânticos foi alargada a este século, e os cientistas tentaram fabricar pontos quânticos em vários materiais com estruturas auto-organizadas, enquanto os pontos quânticos de GaInN foram utilizados em lasers semicondutores.
Os lasers de semicondutores foram desenvolvidos pela primeira vez no início dos anos 60 como lasers de junção homogénea, que eram díodos de junção pn fabricados num único material. Quando sujeitos a uma elevada injeção de corrente direta, os electrões eram continuamente injectados na região p e os orifícios eram continuamente injectados na região n, o que resultava numa inversão da distribuição dos portadores na zona de depleção da junção pn original. Uma vez que a taxa de migração de electrões é mais rápida do que a taxa de migração de buracos, a emissão de radiação e de partículas compostas ocorre na zona ativa, emitindo fluorescência e, em determinadas condições, ocorre um laser semicondutor em forma de impulso.
A segunda fase do desenvolvimento do laser de semicondutores é o laser de semicondutores heteroestruturado, que consiste em duas camadas finas de materiais semicondutores com diferentes bandgaps, como o GaAs e o GaAlAs. O primeiro destes lasers foi um laser de heteroestrutura única (1969). Os lasers de injeção de heterojunção simples (SHLD) na zona p da junção GaAsP-N para reduzir a densidade da corrente de limiar, cujo valor é uma ordem de grandeza inferior ao dos lasers de homojunção, mas os lasers de heterojunção simples continuam a não poder funcionar continuamente à temperatura ambiente.
Desde o final da década de 1970, os lasers de semicondutores desenvolveram-se claramente em duas direcções. Uma é o desenvolvimento de lasers baseados na informação, com o objetivo de transmitir informação, e a outra é o desenvolvimento de lasers baseados na potência, com o objetivo de aumentar a potência ótica. Esta evolução foi impulsionada por aplicações como os lasers de estado sólido bombeados, e os lasers de semicondutores de alta potência (potência de saída contínua igual ou superior a 100mw, potência de saída pulsada igual ou superior a 5W) são atualmente considerados lasers de semicondutores de alta potência.
Na década de 1990, registou-se um avanço na tecnologia de lasers de semicondutores, marcado por um aumento significativo da potência de saída dos lasers de semicondutores. Foram comercializados lasers de semicondutores de alta potência da classe dos kilowatts e a potência de saída dos dispositivos de amostra nacionais atingiu os 600W. Os comprimentos de onda dos lasers de semicondutores também se expandiram dos lasers de semicondutores infravermelhos para os lasers de semicondutores vermelhos de 670 nm, seguidos da introdução de comprimentos de onda de 650 nm, 635 nm, azul-verde e azul. Foram também desenvolvidos com êxito lasers de semicondutores violeta e mesmo ultravioleta à escala de 10mW.
No final da década de 1990, o desenvolvimento de lasers de emissão de superfície e de lasers de emissão de superfície de cavidade vertical foi considerado para uma variedade de aplicações em optoelectrónica ultra-paralela. Os dispositivos a 980 nm, 850 nm e 780 nm tornaram-se práticos em sistemas ópticos. Atualmente, os lasers de emissão de superfície de cavidade vertical são utilizados em redes de alta velocidade para Ethernet gigabit.
Os lasers de semicondutores são uma classe de lasers que amadureceu mais cedo e progrediu mais rapidamente devido à sua ampla gama de comprimentos de onda, produção simples, baixo custo, fácil produção em massa, tamanho pequeno, peso leve e longa vida útil. Por conseguinte, o seu desenvolvimento tem sido rápido e a gama de aplicações ultrapassa atualmente os 300 tipos.
(1) Comunicação por fibra ótica:
Os lasers semicondutores são a única fonte de luz prática para os sistemas de comunicação por fibra ótica, e a comunicação por fibra ótica tornou-se a corrente principal da tecnologia de comunicação contemporânea.
(2) Acesso a discos ópticos:
Os lasers semicondutores têm sido utilizados para a memória de discos ópticos, e a sua maior vantagem é a grande quantidade de som, texto e informação gráfica armazenada. A utilização de lasers azuis e verdes pode melhorar significativamente a densidade de armazenamento dos discos ópticos.
(3) Análise espetral:
Os lasers semicondutores sintonizáveis no infravermelho distante têm sido utilizados na análise de gases ambientais, no controlo da poluição atmosférica, nos gases de escape dos automóveis, etc. Na indústria, podem ser utilizados para monitorizar o processo de precipitação em fase vapor.
(4) Processamento de informação ótica:
Os lasers de semicondutores têm sido utilizados em sistemas ópticos de gestão da informação. As matrizes 2D de lasers semicondutores emissores de superfície são fontes de luz ideais para sistemas de processamento paralelo ótico e serão utilizadas em computadores e redes neuronais ópticas.
(5) Microfabricação por laser:
Os lasers de semicondutores com Q-switched produzem traços de luz ultra-curtos de alta energia para corte e perfuração de circuitos integrados.
(6) Alarme laser:
Os alarmes a laser com semicondutores são utilizados numa vasta gama de aplicações, incluindo alarmes contra roubo, alarmes de nível de água, alarmes de distância para automóveis, etc.
(7) Impressoras laser:
Os lasers semicondutores de alta potência têm sido utilizados em impressoras laser. A utilização de lasers azuis e verdes pode melhorar significativamente a velocidade e a resolução da impressão.
(8) Leitor de códigos de barras a laser:
Os leitores de códigos de barras a laser com semicondutores têm sido amplamente utilizados para merchandising, bem como para a gestão de livros e ficheiros.
(9) Lasers de estado sólido bombeados:
Esta é uma aplicação importante dos lasers de semicondutores de alta potência, utilizando-os para substituir a lâmpada atmosférica original, podendo constituir um sistema laser totalmente em estado sólido.
(10) Televisão laser de alta definição:
Num futuro próximo, poderão ser colocados no mercado televisores a laser semicondutores sem tubos de raios catódicos, que utilizam lasers vermelhos, azuis e verdes e que se estima consumirem menos 20% de energia do que os actuais aparelhos de televisão.
(1) Tratamento por cirurgia laser
Os lasers de semicondutores têm sido utilizados para excisão de tecidos moles, união de tecidos, coagulação e vaporização. Têm sido amplamente utilizados em cirurgia geral, cirurgia plástica, dermatologia, urologia, obstetrícia e ginecologia.
(2) Tratamento cinético por laser
As substâncias fotossensíveis com afinidade para os tumores são recolhidas seletivamente nos tecidos cancerosos e irradiadas por um laser semicondutor para produzir espécies reactivas de oxigénio nos tecidos cancerosos, visando a necrose sem qualquer dano para os tecidos saudáveis.
(3) Investigação no domínio das ciências da vida
A utilização de "pinças ópticas" de laser semicondutor, que podem capturar células vivas ou cromossomas e movê-los para qualquer local, tem sido utilizada para promover a síntese celular, a interação celular e outras investigações, bem como uma técnica de diagnóstico para a ciência forense.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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