หลักการทำงานและประเภทหลักของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

หลักการทำงานและประเภทหลักของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

สารกึ่งตัวนำไดโอดเลเซอร์ด้วยประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็กกะทัดรัด และความหลากหลายของความยาวคลื่น จึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเป็นส่วนประกอบหลักของเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในสาขาต่างๆ เช่น การสื่อสาร การแพทย์ และการแปรรูปทางอุตสาหกรรม บทความนี้จะแนะนำหลักการทำงานและประเภทของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งสะดวกต่อการเลือกใช้อ้างอิงสำหรับนักวิจัยด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่

1. หลักการเปล่งแสงของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

หลักการเรืองแสงของเลเซอร์สารกึ่งตัวนำมีพื้นฐานมาจากโครงสร้างแถบ การเปลี่ยนผ่านอิเล็กตรอน และการแผ่รังสีกระตุ้นของวัสดุสารกึ่งตัวนำ วัสดุสารกึ่งตัวนำเป็นวัสดุชนิดหนึ่งที่มีแถบช่องว่าง ซึ่งประกอบด้วยแถบวาเลนซ์และแถบการนำ เมื่อวัสดุอยู่ในสถานะพื้น อิเล็กตรอนจะเติมเต็มแถบวาเลนซ์ในขณะที่ไม่มีอิเล็กตรอนอยู่ในแถบการนำ เมื่อสนามไฟฟ้าบางสนามถูกจ่ายจากภายนอกหรือมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน อิเล็กตรอนบางส่วนจะเปลี่ยนจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบการนำ ทำให้เกิดคู่อิเล็กตรอน-โฮล ในระหว่างกระบวนการปลดปล่อยพลังงาน เมื่อคู่อิเล็กตรอน-โฮลเหล่านี้ถูกกระตุ้นโดยโลกภายนอก จะเกิดโฟตอน หรือเลเซอร์ขึ้น

2. วิธีการกระตุ้นของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

มีวิธีการกระตุ้นหลักๆ สำหรับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์อยู่ 3 วิธี ได้แก่ ประเภทการฉีดไฟฟ้า ประเภทปั๊มออปติคัล และประเภทการกระตุ้นด้วยลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบฉีดไฟฟ้า: โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์ชนิดนี้เป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบจุดต่อผิวที่ทำจากวัสดุต่างๆ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) แคดเมียมซัลไฟด์ (CdS) อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) เลเซอร์ชนิดนี้จะถูกกระตุ้นโดยการอัดกระแสตามแนวไบแอสไปข้างหน้า ทำให้เกิดการแผ่รังสีกระตุ้นในบริเวณระนาบจุดต่อ

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบปั๊มด้วยแสง: โดยทั่วไปแล้ว ผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N หรือชนิด P (เช่น GaAS, InAs, InSb เป็นต้น) จะถูกใช้เป็นสารทำงาน และเลเซอร์ที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์อื่นจะถูกใช้เป็นการกระตุ้นด้วยการปั๊มแสง

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบกระตุ้นด้วยลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง: โดยทั่วไปจะใช้ผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N หรือ P (เช่น PbS, CdS, ZhO เป็นต้น) เป็นสารทำงาน และถูกกระตุ้นโดยการฉีดลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากภายนอก ในบรรดาอุปกรณ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพดีกว่าและใช้งานได้หลากหลายกว่าคือเลเซอร์ไดโอด GaAs แบบฉีดไฟฟ้าที่มีโครงสร้างเฮเทอโรคู่

3. ประเภทหลักของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

พื้นที่แอคทีฟของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นพื้นที่หลักสำหรับการสร้างและขยายโฟตอน และมีความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตร โครงสร้างท่อนำคลื่นภายในถูกนำมาใช้เพื่อจำกัดการแพร่กระจายด้านข้างของโฟตอนและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน (เช่น ท่อนำคลื่นสันเขาและเฮเทอโรจังก์ชันฝัง) เลเซอร์ใช้การออกแบบฮีตซิงก์และเลือกใช้วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง (เช่น โลหะผสมทองแดง-ทังสเตน) เพื่อการกระจายความร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถป้องกันการดริฟต์ของความยาวคลื่นที่เกิดจากความร้อนสูงเกินไป เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สามารถจำแนกตามโครงสร้างและสถานการณ์การใช้งานได้เป็นสี่ประเภทดังต่อไปนี้:

เลเซอร์แบบเปล่งแสงขอบ (EEL)

เลเซอร์ถูกส่งออกมาจากพื้นผิวแยกที่ด้านข้างของชิป ทำให้เกิดจุดรูปวงรี (มีมุมเบี่ยงเบนประมาณ 30°×10°) ความยาวคลื่นทั่วไป ได้แก่ 808 นาโนเมตร (สำหรับการสูบ) 980 นาโนเมตร (สำหรับการสื่อสาร) และ 1550 นาโนเมตร (สำหรับการสื่อสารผ่านไฟเบอร์) เลเซอร์นี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในการตัดอุตสาหกรรมกำลังสูง แหล่งกำเนิดการสูบเลเซอร์ไฟเบอร์ และเครือข่ายแกนหลักการสื่อสารด้วยแสง

2. เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL)

เลเซอร์ถูกปล่อยออกมาในแนวตั้งฉากกับพื้นผิวของชิป ด้วยลำแสงวงกลมและสมมาตร (มุมไดเวอร์เจนซ์ <15°) เลเซอร์นี้ผสานรวมตัวสะท้อนแสงแบรกก์แบบกระจาย (DBR) เข้าด้วยกัน จึงไม่จำเป็นต้องใช้ตัวสะท้อนแสงภายนอก เลเซอร์นี้ถูกใช้อย่างแพร่หลายในการตรวจจับ 3 มิติ (เช่น ระบบจดจำใบหน้าบนโทรศัพท์มือถือ) การสื่อสารด้วยแสงระยะใกล้ (ศูนย์ข้อมูล) และ LiDAR

3. เลเซอร์ควอนตัมคาสเคด (QCL)

จากการเปลี่ยนผ่านแบบคาสเคดของอิเล็กตรอนระหว่างควอนตัมเวลส์ ความยาวคลื่นครอบคลุมช่วงอินฟราเรดกลางถึงอินฟราเรดไกล (3-30 ไมโครเมตร) โดยไม่จำเป็นต้องมีการกลับทิศของประชากร โฟตอนเกิดขึ้นจากการเปลี่ยนผ่านระหว่างแถบย่อย และมักถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การตรวจจับก๊าซ (เช่น การตรวจจับ CO₂) การถ่ายภาพเทราเฮิรตซ์ และการตรวจสอบสภาพแวดล้อม

4. เลเซอร์แบบปรับได้

การออกแบบโพรงภายนอกของเลเซอร์แบบปรับได้ (แบบเกรตติง/ปริซึม/กระจก MEMS) สามารถปรับช่วงความยาวคลื่นได้ ±50 นาโนเมตร โดยมีความกว้างของเส้นที่แคบ (<100 kHz) และอัตราส่วนการปฏิเสธโหมดด้านข้างสูง (>50 dB) เลเซอร์ชนิดนี้นิยมใช้ในงานต่างๆ เช่น การสื่อสารแบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่น (DWDM) การวิเคราะห์สเปกตรัม และการถ่ายภาพทางชีวการแพทย์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เลเซอร์สำหรับการสื่อสาร อุปกรณ์จัดเก็บเลเซอร์แบบดิจิทัล อุปกรณ์ประมวลผลเลเซอร์ อุปกรณ์ทำเครื่องหมายและบรรจุภัณฑ์เลเซอร์ การเรียงพิมพ์และการพิมพ์เลเซอร์ อุปกรณ์เลเซอร์ทางการแพทย์ เครื่องมือตรวจจับระยะทางและการปรับค่าคอลลิเมชันเลเซอร์ เครื่องมือและอุปกรณ์เลเซอร์เพื่อความบันเทิงและการศึกษา ส่วนประกอบและชิ้นส่วนเลเซอร์ เป็นต้น เลเซอร์เหล่านี้จัดเป็นส่วนประกอบหลักของอุตสาหกรรมเลเซอร์ เนื่องจากเลเซอร์มีการใช้งานที่หลากหลาย จึงมีผู้ผลิตและแบรนด์เลเซอร์มากมายหลายราย การเลือกควรพิจารณาจากความต้องการและขอบเขตการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง ผู้ผลิตแต่ละรายมีการใช้งานที่แตกต่างกันในแต่ละสาขา และการเลือกผู้ผลิตและเลเซอร์ควรพิจารณาตามขอบเขตการใช้งานจริงของโครงการ