반도체 레이저란?

1962년 세계 최초의 반도체 레이저가 발명된 이후 반도체 레이저는 엄청난 변화를 겪었고 다른 과학 기술의 발전을 크게 촉진했으며 20세기 인류의 가장 위대한 발명품 중 하나로 여겨집니다. 지난 10년 동안 반도체 레이저는 더욱 빠르게 발전했으며 세계에서 가장 빠르게 성장하는 레이저 기술이 되었습니다. 반도체 레이저의 응용 범위는 광전자공학의 전체 분야를 포괄하며 오늘날 광전자공학 과학의 핵심 기술이 되었습니다. 작은 크기, 간단한 구조, 낮은 입력 에너지, 긴 수명, 쉬운 변조 및 저렴한 가격의 장점으로 인해 반도체 레이저는 광전자 분야에서 널리 사용되며 전 세계 국가에서 높이 평가되었습니다.

반도체 레이저
A 반도체 레이저직접 밴드 갭 반도체 물질로 구성된 Pn 접합 또는 Pin 접합을 작동 물질로 사용하는 소형 레이저입니다. 수십 가지의 반도체 레이저 작업 재료가 있습니다. 레이저로 만들어진 반도체 재료는 갈륨 비소, 인듐 비화물, 인듐 안티몬화물, 카드뮴 황화물, 카드뮴 텔루르화물, 납 셀렌화물, 납 텔루르화물, 알루미늄 갈륨 비소, 인듐 인, 비소 등이 있습니다. 반도체의 여기 방법은 크게 3가지가 있습니다. 레이저, 즉 전기주입형, 광펌프형 및 고에너지 전자빔 여기형이 있다. 대부분의 반도체 레이저의 여기 방식은 전기적 주입, 즉 순방향 전압을 Pn 접합에 인가하여 접합면 영역, 즉 순방향 바이어스 다이오드에서 유도방출을 발생시키는 방식이다. 따라서 반도체 레이저는 반도체 레이저 다이오드라고도 합니다. 반도체의 경우 전자가 이산적인 에너지 준위가 아닌 에너지 대역 사이에서 전이되기 때문에 전이 에너지가 일정한 값이 아니므로 반도체 레이저의 출력 파장이 넓은 범위로 퍼지게 됩니다. 범위에. 그들이 방출하는 파장은 0.3~34μm입니다. 파장 범위는 사용된 재료의 에너지 밴드 갭에 의해 결정됩니다. 가장 일반적인 것은 750-890 nm의 출력 파장을 갖는 AlGaAs 이중 이종 접합 레이저입니다.
반도체 레이저 제조 기술은 확산 방식부터 액상 에피택시(LPE), 기상 에피택시(VPE), 분자빔 에피택시(MBE), MOCVD 방식(금속유기화합물 증착), 화학빔 에피택시(CBE)까지 경험해왔습니다. 그리고 이들의 다양한 조합. 반도체 레이저의 가장 큰 단점은 레이저 성능이 온도에 크게 영향을 받고 빔의 발산각이 커서(일반적으로 수도에서 20도 사이) 지향성, 단색성, 일관성이 떨어진다는 점이다. 그러나 과학 기술의 급속한 발전으로 반도체 레이저의 연구는 깊이 방향으로 발전하고 반도체 레이저의 성능은 끊임없이 향상되고 있습니다. 반도체 레이저를 핵심으로 하는 반도체 광전자기술은 21세기 정보사회에서 더 큰 발전과 역할을 담당하게 될 것입니다.

반도체 레이저는 어떻게 작동합니까?
A 반도체 레이저일관된 방사선 소스입니다. 레이저 광을 생성하려면 세 가지 기본 조건이 충족되어야 합니다.
1. 이득 조건: 레이저 매체(활성 영역)에서 캐리어의 반전 분포가 설정됩니다. 반도체에서 전자 에너지를 나타내는 에너지 밴드는 연속에 가까운 일련의 에너지 준위로 구성됩니다. 따라서 반도체에서 포퓰레이션 반전을 이루기 위해서는 고에너지 상태의 전도대 하단에 있는 전자의 수가 저에너지의 가전자대 상단에 있는 정공의 수보다 훨씬 많아야 한다. 두 에너지 밴드 영역 사이의 상태. 이종 접합은 순방향 바이어스되어 필요한 캐리어를 활성층에 주입하여 에너지가 낮은 가전자대에서 에너지가 높은 전도대로 전자를 여기시킵니다. 자극 방출은 인구 역전 상태의 많은 수의 전자가 정공과 재결합할 때 발생합니다.
2. 간섭성 유도 방사선을 실제로 얻으려면 유도 방사선을 광학 공진기에서 여러 번 피드백하여 레이저 발진을 형성해야 합니다. 레이저 공진기는 반도체 결정의 자연 벽개면을 거울로 하여 형성되며, 일반적으로 발광하지 않는 끝부분은 고반사 다층유전체막으로 코팅되고, 발광면은 반사방지막으로 코팅된다. 반사 필름. F-p 캐비티(Fabry-Perot 캐비티) 반도체 레이저의 경우, p-n 접합면에 수직인 결정의 자연 벽개면을 사용하여 F-p 캐비티를 쉽게 형성할 수 있습니다.
3. 안정적인 발진을 형성하기 위해서는 레이저 매질이 공진기에 의한 광학 손실과 캐비티 표면 등에서의 레이저 출력으로 인한 손실을 보상할 수 있을 만큼 충분히 큰 이득을 제공할 수 있어야 하며, 연속적으로 캐비티의 광학 필드를 증가시킵니다. 이것은 충분히 강한 전류 주입을 필요로 합니다. 즉, 인구 반전이 충분하고, 인구 반전 정도가 높을수록 획득되는 이득이 더 커집니다. 즉, 특정 전류 임계값 조건이 충족되어야 합니다. 레이저가 임계 값에 도달하면 특정 파장의 빛이 공동에서 공명하고 증폭되어 최종적으로 레이저를 형성하고 연속적으로 출력할 수 있습니다. 반도체 레이저에서 전자와 정공의 쌍극자 전이가 발광과 광증폭의 기본 과정임을 알 수 있다. 새로운 반도체 레이저의 경우 현재 양자 우물이 반도체 레이저 개발의 근본적인 원동력으로 인식되고 있습니다. 양자 와이어와 양자점이 양자 효과를 최대한 활용할 수 있는지 여부는 금세기까지 확장되었습니다. 과학자들은 자기조직화된 구조를 이용하여 다양한 물질에 양자점을 만들려고 했고, 반도체 레이저에 GaInN 양자점을 사용했다.

반도체 레이저 개발 이력
그만큼반도체 레이저1960년대 초에는 한 재료로 제작된 pn 접합 다이오드인 동종 접합 레이저가 있었습니다. 순방향 대전류 주입에서는 전자가 p 영역에 연속적으로 주입되고 정공이 n 영역에 연속 주입됩니다. 따라서 원래의 pn 접합 공핍 영역에서 캐리어 분포의 반전이 실현됩니다. 전자의 이동 속도가 정공의 이동 속도보다 빠르기 때문에 활성 영역에서 방사선과 재결합이 일어나 형광이 방출됩니다. lasing은 펄스에서만 작동할 수 있는 반도체 레이저입니다. 반도체 레이저 개발의 두 번째 단계는 GaAs 및 GaAlAs와 같은 서로 다른 밴드 갭을 갖는 반도체 재료의 두 개의 얇은 층으로 구성된 헤테로 구조 반도체 레이저이며 단일 헤테로 구조 레이저가 처음 등장했습니다(1969). 단일 이종 접합 주입 레이저(SHLD)는 GaAsP-N 접합의 p 영역 내에 있어 임계 전류 밀도를 감소시키며, 이는 호모 접합 레이저보다 10배 낮은 수준이지만 단일 이종 접합 레이저는 여전히 연속 작업을 할 수 없습니다. 실온.
1970년대 후반 이후 반도체 레이저는 두 가지 방향으로 분명히 발전해 왔다. 하나는 정보 전달을 위한 정보 기반 레이저이고 다른 하나는 광출력을 높이기 위한 파워 기반 레이저이다. 펌핑 고체 레이저, 고출력 반도체 레이저(100mw 이상의 연속 출력 및 5W 이상의 펄스 출력을 고출력 반도체 레이저라고 부를 수 있음)와 같은 응용 분야에 의해 구동됩니다.
1990년대에는 반도체 레이저 출력의 대폭적인 증가, 해외 킬로와트 수준의 고출력 반도체 레이저 상용화, 국내 샘플 장치 출력 600W에 도달하는 등 획기적인 돌파구를 마련했습니다. 레이저 대역의 확장이라는 관점에서 보면 최초의 적외선 반도체 레이저에 이어 670nm 적색 반도체 레이저가 널리 사용되었다. 그러다가 650nm와 635nm의 파장이 도래하면서 청록색 반도체 레이저와 청색광 반도체 레이저도 잇달아 성공적으로 개발됐다. 10mW 정도의 보라색 및 자외선 반도체 레이저도 개발 중입니다. 면발광 레이저와 수직공동 면발광 레이저는 1990년대 후반에 빠르게 발전했으며 초병렬 광전자공학에서 다양한 응용이 고려되었습니다. 980nm, 850nm 및 780nm 장치는 이미 광학 시스템에서 실용적입니다. 현재 수직 공동 표면 발광 레이저는 기가비트 이더넷의 고속 네트워크에 사용되었습니다.

반도체 레이저의 응용
반도체 레이저는 더 일찍 성숙하고 더 빨리 진행되는 레이저 종류입니다. 넓은 파장 범위, 간단한 생산, 저렴한 비용, 쉬운 대량 생산으로 인해 작은 크기, 가벼운 무게 및 긴 수명으로 인해 품종 및 응용 분야에서 빠르게 발전하고 있습니다. 광범위한, 현재 300종 이상.

1. 산업 및 기술에서의 응용
1) 광섬유 통신.반도체 레이저광섬유 통신 시스템의 유일한 실용적인 광원이며 광섬유 통신은 현대 통신 기술의 주류가 되었습니다.
2) 디스크 액세스. 반도체 레이저는 광디스크 메모리에 많이 사용되어 왔으며 가장 큰 장점은 많은 양의 소리, 문자, 영상 정보를 저장한다는 점이다. 청색 및 녹색 레이저의 사용은 광 디스크의 저장 밀도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
3) 스펙트럼 분석. 원적외선 파장가변 반도체 레이저는 주변 가스 분석, 대기 오염 모니터링, 자동차 배기가스 모니터링 등에 사용되어 왔습니다. 산업에서 증착 과정을 모니터링하는 데 사용할 수 있습니다.
4) 광학 정보 처리. 반도체 레이저는 광학 정보 시스템에 사용되었습니다. 면발광 반도체 레이저의 2차원 어레이는 컴퓨터와 광학 신경망에 사용될 광학 병렬 처리 시스템에 이상적인 광원입니다.
5) 레이저 미세 가공. Q 스위치 반도체 레이저에 의해 생성된 고에너지 초단파 광 펄스의 도움으로 집적 회로를 절단하거나 펀칭하는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.
6) 레이저 경보. 반도체 레이저 경보기는 도난 경보기, 수위 경보기, 차량 거리 경보기 등을 포함하여 널리 사용됩니다.
7) 레이저 프린터. 고출력 반도체 레이저는 레이저 프린터에 사용되었습니다. 청색 및 녹색 레이저를 사용하면 인쇄 속도와 해상도를 크게 향상시킬 수 있습니다.
8) 레이저 바코드 스캐너. 반도체 레이저 바코드 스캐너는 상품 판매, 서적 및 아카이브 관리에 널리 사용되었습니다.
9) 고체 레이저를 펌핑합니다. 이것은 고출력 반도체 레이저의 중요한 응용입니다. 이를 사용하여 기존 대기 램프를 교체하면 전고체 레이저 시스템을 구성할 수 있습니다.
10) 고화질 레이저 TV. 가까운 장래에 적색, 청색, 녹색 레이저를 사용하는 음극선관이 없는 반도체 레이저 TV는 기존 TV보다 20% 적은 전력을 소비할 것으로 예상됩니다.

2. 의료 및 생명과학 연구에서의 응용
1) 레이저 수술.반도체 레이저연조직 절제, 조직 결합, 응고 및 기화에 사용되었습니다. 이 기술은 일반 외과, 성형 외과, 피부과, 비뇨기과, 산부인과 등에 널리 사용됩니다.
2) 레이저 동적 요법. 종양에 친화력이 있는 감광성 물질을 암 조직에 선택적으로 축적하고, 암 조직에 반도체 레이저를 조사하여 활성산소를 발생시켜 건강한 조직을 손상시키지 않으면서 괴사시키는 것을 목표로 합니다.
3) 생명과학 연구. 의 "광학 핀셋"을 사용하여반도체 레이저, 살아있는 세포나 염색체를 포획하여 원하는 위치로 이동시키는 것이 가능합니다. 세포 합성 및 세포 상호 작용 연구를 촉진하는 데 사용되었으며 법의학 증거 수집을 위한 진단 기술로도 사용할 수 있습니다.