หลักการทำงานและประเภทหลักของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

หลักการทำงานและประเภทหลักของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์ไดโอดเลเซอร์ด้วยประสิทธิภาพสูง ขนาดเล็ก และความหลากหลายของความยาวคลื่น เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะส่วนประกอบหลักของเทคโนโลยีอิเล็กโทรออปติกในด้านต่างๆ เช่น การสื่อสาร การดูแลทางการแพทย์ และกระบวนการทางอุตสาหกรรม บทความนี้จะแนะนำหลักการทำงานและประเภทของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เพิ่มเติม ซึ่งจะเป็นประโยชน์สำหรับนักวิจัยด้านอิเล็กโทรออปติกส่วนใหญ่ในการเลือกใช้

1. หลักการเปล่งแสงของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

หลักการเปล่งแสงของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์นั้นอาศัยโครงสร้างแถบพลังงาน การเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กตรอน และการเปล่งแสงแบบกระตุ้นของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เป็นวัสดุประเภทหนึ่งที่มีช่องว่างแถบพลังงาน ซึ่งประกอบด้วยแถบวาเลนซ์และแถบนำไฟฟ้า เมื่อวัสดุอยู่ในสถานะพื้นฐาน อิเล็กตรอนจะเติมเต็มแถบวาเลนซ์ ในขณะที่ไม่มีอิเล็กตรอนในแถบนำไฟฟ้า เมื่อมีการใช้สนามไฟฟ้าภายนอกหรือมีการฉีดกระแสไฟฟ้าเข้าไป อิเล็กตรอนบางส่วนจะเปลี่ยนสถานะจากแถบวาเลนซ์ไปยังแถบนำไฟฟ้า ทำให้เกิดคู่ของอิเล็กตรอนและโฮล ในระหว่างกระบวนการปลดปล่อยพลังงาน เมื่อคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลเหล่านี้ถูกกระตุ้นโดยโลกภายนอก โฟตอน หรือเลเซอร์ก็จะถูกสร้างขึ้น

2. วิธีการกระตุ้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

โดยหลักแล้วเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์มีวิธีการกระตุ้นอยู่ 3 วิธี ได้แก่ แบบฉีดกระแสไฟฟ้า แบบปั๊มด้วยแสง และแบบกระตุ้นด้วยลำอิเล็กตรอนพลังงานสูง

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบฉีดกระแสไฟฟ้า: โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์เหล่านี้เป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบเชื่อมต่อพื้นผิวที่ทำจากวัสดุต่างๆ เช่น แกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs), แคดเมียมซัลไฟด์ (CdS), อินเดียมฟอสไฟด์ (InP) และซิงค์ซัลไฟด์ (ZnS) เลเซอร์เหล่านี้ทำงานโดยการฉีดกระแสไฟฟ้าไปตามทิศทางไบแอสไปข้างหน้า ทำให้เกิดการปล่อยแสงแบบกระตุ้นในบริเวณระนาบเชื่อมต่อ

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบปั๊มด้วยแสง: โดยทั่วไปจะใช้ผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N หรือชนิด P (เช่น GaAS, InAs, InSb เป็นต้น) เป็นสารทำงาน และเลเซอร์แสงที่ปล่อยออกมาจากเลเซอร์อื่นๆ จะถูกนำมาใช้เป็นแสงกระตุ้นแบบปั๊มด้วยแสง

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่กระตุ้นด้วยลำอิเล็กตรอนพลังงานสูง: โดยทั่วไปแล้ว เลเซอร์เหล่านี้ใช้ผลึกเดี่ยวเซมิคอนดักเตอร์ชนิด N หรือชนิด P (เช่น PbS, CdS, ZhO เป็นต้น) เป็นสารทำงาน และถูกกระตุ้นโดยการฉีดลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากภายนอก ในบรรดาอุปกรณ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์นั้น เลเซอร์ไดโอด GaAs ที่ฉีดกระแสไฟฟ้าและมีโครงสร้างเฮเทอโรคู่ เป็นเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพดีกว่าและมีการใช้งานกว้างขวางกว่า

3. ประเภทหลักของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

บริเวณแอคทีฟของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นพื้นที่หลักสำหรับการสร้างและการขยายโฟตอน โดยมีความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตร โครงสร้างนำคลื่นภายในถูกนำมาใช้เพื่อจำกัดการแพร่กระจายด้านข้างของโฟตอนและเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน (เช่น ท่อนำคลื่นแบบสันและเฮเทอโรจังก์ชันแบบฝัง) เลเซอร์ใช้การออกแบบระบายความร้อนและเลือกใช้วัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง (เช่น โลหะผสมทองแดง-ทังสเตน) เพื่อการระบายความร้อนอย่างรวดเร็ว ซึ่งสามารถป้องกันการเปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นที่เกิดจากความร้อนสูงเกินไป ตามโครงสร้างและสถานการณ์การใช้งาน เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สามารถจำแนกได้เป็น 4 ประเภทดังต่อไปนี้:

เลเซอร์เปล่งแสงจากขอบ (EEL)

เลเซอร์ถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวที่แยกตัวออกทางด้านข้างของชิป ทำให้เกิดจุดรูปวงรี (โดยมีมุมกระจายประมาณ 30°×10°) ความยาวคลื่นทั่วไป ได้แก่ 808 นาโนเมตร (สำหรับการปั๊ม), 980 นาโนเมตร (สำหรับการสื่อสาร) และ 1550 นาโนเมตร (สำหรับการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง) มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในการตัดเฉือนทางอุตสาหกรรมกำลังสูง แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สำหรับปั๊มใยแก้วนำแสง และเครือข่ายหลักสำหรับการสื่อสารด้วยแสง

2. เลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงแนวตั้ง (VCSEL)

ลำแสงเลเซอร์ถูกปล่อยออกมาตั้งฉากกับพื้นผิวของชิป โดยมีลำแสงเป็นวงกลมและสมมาตร (มุมกระจายแสง <15°) ชิปนี้มีตัวสะท้อนแสงแบบกระจายแบร็ก (DBR) ในตัว ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวสะท้อนแสงภายนอก มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับแบบ 3 มิติ (เช่น การจดจำใบหน้าบนโทรศัพท์มือถือ) การสื่อสารด้วยแสงระยะสั้น (ศูนย์ข้อมูล) และ LiDAR

3. เลเซอร์ควอนตัมแคสเคด (QCL)

จากหลักการของการเปลี่ยนผ่านแบบต่อเนื่องของอิเล็กตรอนระหว่างควอนตัมเวลล์ ความยาวคลื่นครอบคลุมช่วงอินฟราเรดกลางถึงไกล (3-30 ไมโครเมตร) โดยไม่จำเป็นต้องมีการผกผันของประชากร โฟตอนถูกสร้างขึ้นผ่านการเปลี่ยนผ่านระหว่างซับแบนด์ และมักใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การตรวจจับก๊าซ (เช่น การตรวจจับ CO₂) การถ่ายภาพเทราเฮิร์ตซ์ และการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม

4. เลเซอร์ที่ปรับได้

เลเซอร์แบบปรับความยาวคลื่นได้ (tunable laser) ที่มีโครงสร้างโพรงภายนอก (grating/prism/MEMS mirror) สามารถปรับความยาวคลื่นได้ในช่วง ±50 นาโนเมตร มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ (<100 kHz) และอัตราการปฏิเสธโหมดด้านข้างสูง (>50 dB) โดยทั่วไปจะใช้ในงานต่างๆ เช่น การสื่อสารแบบมัลติเพล็กซ์แบบแบ่งความยาวคลื่นหนาแน่น (DWDM) การวิเคราะห์สเปกตรัม และการถ่ายภาพทางการแพทย์ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์เลเซอร์สำหรับการสื่อสาร อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลดิจิทัลด้วยเลเซอร์ อุปกรณ์ประมวลผลด้วยเลเซอร์ อุปกรณ์ทำเครื่องหมายและบรรจุภัณฑ์ด้วยเลเซอร์ การพิมพ์และเรียงพิมพ์ด้วยเลเซอร์ อุปกรณ์ทางการแพทย์ด้วยเลเซอร์ เครื่องมือวัดระยะทางและการปรับแนวลำแสงด้วยเลเซอร์ เครื่องมือและอุปกรณ์เลเซอร์เพื่อความบันเทิงและการศึกษา ชิ้นส่วนและส่วนประกอบเลเซอร์ ฯลฯ จัดเป็นส่วนประกอบหลักของอุตสาหกรรมเลเซอร์ เนื่องจากมีการใช้งานที่หลากหลาย จึงมีแบรนด์และผู้ผลิตเลเซอร์มากมาย เมื่อทำการเลือก ควรพิจารณาจากความต้องการเฉพาะและสาขาการใช้งาน ผู้ผลิตแต่ละรายมีการใช้งานที่แตกต่างกันในสาขาต่างๆ และการเลือกผู้ผลิตและเลเซอร์ควรทำตามสาขาการใช้งานจริงของโครงการ