Você já se perguntou como um minúsculo semicondutor pode produzir uma poderosa luz laser? Os lasers semicondutores, essenciais em tecnologias que vão desde a fibra óptica até os dispositivos médicos, evoluíram muito desde sua criação em 1962. Este artigo explora seus princípios de funcionamento, marcos históricos e diversas aplicações. Descubra como os lasers semicondutores funcionam, os materiais envolvidos e seu impacto inovador na tecnologia moderna. Mergulhe de cabeça para entender sua jornada da ciência básica até se tornar uma parte essencial da tecnologia cotidiana!
Desde a invenção do primeiro laser semicondutor do mundo, em 1962, os lasers semicondutores passaram por enormes mudanças, promovendo muito 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 semicondutores foi ainda mais rápido, tornando-os uma das tecnologias de laser que mais crescem no mundo.
A aplicação de lasers semicondutores abrange todo o campo da optoeletrônica e se tornou a principal tecnologia da ciência optoeletrônica atual.
Devido às vantagens do tamanho pequeno, da estrutura simples, da baixa energia de entrada, da longa vida útil, da fácil modulação e do baixo preço dos lasers semicondutores, eles agora são amplamente usados no campo da optoeletrônica e são altamente valorizados por países do mundo todo.
O laser semicondutor é um laser miniaturizado com junção Pn ou junção Pin composta de material semicondutor de intervalo de banda direta como material de trabalho.
Há dezenas de substâncias semicondutoras que funcionam com laser, e os materiais semicondutores que foram transformados em lasers incluem arsenieto de gálio, arsenieto de índio, antimoneto de índio, sulfeto 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 semicondutores, ou seja:：
A maioria dos lasers semicondutores é excitada por injeção elétrica, o que significa que uma tensão direta é aplicada à junção Pn para produzir uma emissão excitada na região do plano da junção, que é um diodo com polarização direta.
Portanto, o laser semicondutor também é chamado de diodo laser semicondutor.
No caso dos semicondutores, como os elétrons 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 semicondutores se estenda por uma ampla faixa.
Eles emitem comprimentos de onda na faixa de 0,3 a 34 μm.
A faixa de comprimento de onda é determinada pelo intervalo de banda de energia do material usado, e o mais comum é o laser de heterojunção dupla AlGaAs com um comprimento de onda de saída de 750 a 890 nm.
Diagrama esquemático da estrutura do laser
A tecnologia de fabricação de lasers semicondutores passou por vários processos, desde a difusão até a epitaxia de fase líquida (LPE), epitaxia de fase de vapor (VPE), epitaxia de feixe molecular (MBE), método MOCVD (deposição de vapor de composto orgânico metálico), epitaxia de feixe químico (CBE) e várias combinações deles.
A maior desvantagem dos lasers 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 em direcionalidade, monocromaticidade e coerência ruins.
No entanto, com o rápido desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a pesquisa sobre lasers semicondutores está avançando na direção da profundidade, e o desempenho dos lasers semicondutores está melhorando constantemente.
Os lasers semicondutores, como o núcleo da tecnologia optoeletrônica de semicondutores na sociedade da informação do século XXI, farão mais progressos e desempenharão um papel mais importante.
O laser semicondutor é uma fonte de radiação coerente, para que ele possa produzir luz laser, é preciso haver três condições básicas:
1. Condição de ganho
Para estabelecer a distribuição de inversão dos portadores no meio de excitação (região ativa), a energia do elétron em um semicondutor é representada por uma série de bandas de energia que consistem em uma série de níveis de energia quase contínuos.
Portanto, para obter a inversão do número de partículas em semicondutores, é necessário estar entre duas regiões de banda de energia.
O número de elétrons na parte inferior da banda de condução no estado de energia mais alta é muito maior do que o número de buracos na parte superior da banda de valência no estado de energia mais baixa. Isso é obtido adicionando-se uma polarização direta à homojunção ou heterojunção e injetando os portadores necessários na camada ativa para excitar os elétrons da banda de valência de energia mais baixa para a banda de condução de energia mais alta.
A emissão excitada ocorre quando um grande número de elétrons no estado de reversão do número de partículas se combina com buracos.
2. Para obter de fato a radiação estimulada relevante
Para obter a realimentação múltipla e a formação da oscilação do laser, a radiação excitada deve ser produzida na cavidade ressonante óptica.
A cavidade ressonante de um laser é formada pelo uso da solução de superfície natural de um cristal semicondutor como refletor, geralmente com um filme dielétrico multicamada altamente reflexivo na extremidade não emissora e um filme parcialmente reflexivo no lado emissor.
No caso dos lasers semicondutores com cavidade F-p (cavidade Fabry-Perot), a cavidade F-p pode ser facilmente formada usando o plano de solução natural do cristal perpendicular ao plano da junção p-n.
3. Para formar oscilações estáveis, o meio do laser deve ser capaz de fornecer um ganho suficientemente grande
Para compensar a perda óptica causada pela cavidade ressonante e a perda causada pela saída do laser da superfície da cavidade, é necessário aumentar constantemente o campo óptico na cavidade.
Isso requer uma injeção de corrente forte o suficiente, ou seja, reversão suficiente do número de partículas. Quanto maior for o grau de reversão do número de partículas, maior será o ganho obtido, portanto, é necessário atender a uma determinada condição de limite 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 um laser e emitindo continuamente.
Pode-se observar que, nos lasers semicondutores, o salto de dipolo de elétrons e buracos é o processo básico de emissão e amplificação de luz.
Para novos lasers semicondutores, reconhece-se agora que os poços quânticos são a força motriz fundamental para o desenvolvimento de lasers semicondutores.
O tópico sobre se os fios quânticos e os pontos quânticos podem tirar o máximo proveito dos efeitos quânticos se estendeu até este século, e os cientistas tentaram criar pontos quânticos em vários materiais com estruturas auto-organizadas, enquanto os pontos quânticos de GaInN foram usados em lasers semicondutores.
Os lasers semicondutores foram desenvolvidos pela primeira vez no início da década de 1960 como lasers de junção homogênea, que eram diodos de junção pn feitos em um único material. Quando submetidos a uma alta injeção de corrente direta, os elétrons eram continuamente injetados na região p e os buracos eram continuamente injetados na região n, resultando em uma inversão da distribuição de portadores na zona de depleção da junção pn original. Como a taxa de migração de elétrons é mais rápida do que a taxa de migração de buracos, a emissão de radiação e partículas compostas ocorre na zona ativa, emitindo fluorescência e, sob certas condições, ocorre um laser semicondutor em forma de pulso.
O segundo estágio do desenvolvimento do laser semicondutor é o laser semicondutor heteroestruturado, que consiste em duas camadas finas de materiais semicondutores de bandgap diferentes, como GaAs e GaAlAs. O primeiro deles foi um laser de heteroestrutura única (1969). Lasers de injeção de heterojunção única (SHLD) dentro da zona p da junção GaAsP-N para reduzir a densidade de corrente de limiar, cujo valor é uma ordem de magnitude menor do que o dos lasers de homojunção, mas os lasers de heterojunção única ainda não podem operar continuamente em temperatura ambiente.
Desde o final da década de 1970, os lasers semicondutores têm se desenvolvido claramente em duas direções. Uma delas é o desenvolvimento de lasers baseados em informações com a finalidade de transmitir informações, e a outra é o desenvolvimento de lasers baseados em potência com a finalidade de aumentar a potência óptica. Isso foi impulsionado por aplicações como lasers de estado sólido bombeados, e os lasers semicondutores de alta potência (potência de saída contínua de 100mw ou mais, potência de saída pulsada de 5W ou mais) são agora considerados lasers semicondutores de alta potência.
Na década de 1990, houve um avanço na tecnologia de laser semicondutor marcado por um aumento significativo na potência de saída dos lasers semicondutores. Os lasers semicondutores de alta potência da classe Kilowatt foram comercializados, e a saída de dispositivos de amostra domésticos atingiu 600W. Os comprimentos de onda do laser também se expandiram dos lasers semicondutores infravermelhos para os lasers semicondutores vermelhos de 670 nm, seguidos pela introdução de comprimentos de onda de 650 nm, 635 nm, azul-verde e azul. Lasers semicondutores violeta e até ultravioleta em escala de 10mW também foram desenvolvidos com sucesso.
No final da década de 1990, o desenvolvimento de lasers de emissão de superfície e lasers de emissão de superfície de cavidade vertical foi considerado para diversas aplicações em optoeletrônica ultraparalela. Dispositivos em 980 nm, 850 nm e 780 nm tornaram-se práticos em sistemas ópticos. Atualmente, os lasers de emissão de superfície de cavidade vertical são usados em redes de alta velocidade para Ethernet gigabit.
Os lasers semicondutores são uma classe de lasers que amadureceram mais cedo e progrediram mais rapidamente devido à sua ampla faixa de comprimento de onda, produção simples, baixo custo, fácil produção em massa, tamanho pequeno, peso leve e longa vida útil. Portanto, seu desenvolvimento foi rápido, e a gama de aplicações já ultrapassou 300 tipos.
(1) Comunicação por fibra óptica:
Os lasers semicondutores são a única fonte de luz prática para os sistemas de comunicação por fibra óptica, e a comunicação por fibra óptica se tornou a principal tendência da tecnologia de comunicação contemporânea.
(2) Acesso ao disco óptico:
Lasers semicondutores têm sido usados para memória de disco óptico, e sua maior vantagem é a grande quantidade de informações armazenadas de som, texto e gráficos. O uso de lasers azuis e verdes pode melhorar muito a densidade de armazenamento dos discos ópticos.
(3) Análise espectral:
Os lasers semicondutores sintonizáveis no infravermelho distante têm sido usados para análise de gases ambientais, monitoramento da poluição atmosférica, escapamento de automóveis, etc. Na indústria, ele pode ser usado para monitorar o processo de precipitação em fase de vapor.
(4) Processamento de informações ópticas:
Os lasers semicondutores têm sido usados em sistemas de gerenciamento de informações ópticas. As matrizes 2D de laser semicondutor de emissão de superfície são fontes de luz ideais para sistemas de processamento paralelo óptico e serão usadas em computadores e redes neurais ópticas.
(5) Microfabricação a laser:
Os lasers semicondutores Q-switched produzem traços de luz ultracurtos de alta energia para corte e perfuração de circuitos integrados.
(6) Alarme de laser:
Os alarmes a laser semicondutores são usados em uma ampla gama de aplicações, incluindo alarmes contra roubo, alarmes de nível de água, alarmes de distância para carros etc.
(7) Impressoras a laser:
Lasers semicondutores de alta potência têm sido usados em impressoras a laser. O uso de lasers azuis e verdes pode melhorar muito a velocidade e a resolução da impressão.
(8) Leitor de código de barras a laser:
Os scanners de código de barras a laser semicondutores têm sido amplamente usados para merchandising, bem como para gerenciamento de livros e arquivos.
(9) Lasers de estado sólido bombeados:
Essa é uma aplicação importante dos lasers semicondutores de alta potência, que, ao serem usados para substituir a lâmpada atmosférica original, podem constituir um sistema de laser totalmente em estado sólido.
(10) TV a laser de alta definição:
Em um futuro próximo, poderão ser lançadas no mercado TVs a laser semicondutoras sem tubos de raios catódicos, que utilizam lasers vermelhos, azuis e verdes e que, segundo estimativas, consumirão 20% menos energia do que os aparelhos de TV existentes.
(1) Tratamento de cirurgia a laser
Os lasers semicondutores têm sido usados para excisão de tecidos moles, união de tecidos, coagulação e vaporização. Eles têm sido amplamente utilizados em cirurgia geral, cirurgia plástica, dermatologia, urologia, obstetrícia e ginecologia.
(2) Tratamento cinético a laser
Substâncias fotossensíveis com afinidade por tumores são coletadas seletivamente em tecidos cancerosos e irradiadas por um laser semicondutor para produzir espécies reativas de oxigênio nos tecidos cancerosos, visando à necrose sem qualquer dano aos tecidos saudáveis.
(3) Pesquisa em ciências da vida
O uso de "pinças ópticas" de laser semicondutor, que podem capturar células vivas ou cromossomos e movê-los para qualquer local, tem sido usado para promover a síntese celular, a interação celular e outras pesquisas, bem como uma técnica de diagnóstico para a ciência forense.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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