Le principe de fonctionnement et les principaux types delaser à semi-conducteur
Semi-conducteurdiodes laserGrâce à leur rendement élevé, leur miniaturisation et leur diversité de longueurs d'onde, les lasers à semi-conducteurs sont largement utilisés comme composants essentiels de la technologie optoélectronique dans des domaines tels que les communications, la médecine et les procédés industriels. Cet article présente également le principe de fonctionnement et les différents types de lasers à semi-conducteurs, ce qui constitue un guide précieux pour la plupart des chercheurs en optoélectronique.
1. Le principe d'émission de lumière des lasers à semi-conducteurs
Le principe de luminescence des lasers à semi-conducteurs repose sur la structure de bandes, les transitions électroniques et l'émission stimulée des matériaux semi-conducteurs. Ces matériaux possèdent une bande interdite, composée d'une bande de valence et d'une bande de conduction. À l'état fondamental, la bande de valence est occupée par des électrons, tandis que la bande de conduction est vide. Lorsqu'un champ électrique est appliqué ou qu'un courant est injecté, certains électrons passent de la bande de valence à la bande de conduction, formant ainsi des paires électron-trou. Lors de la libération d'énergie, la stimulation de ces paires électron-trou par le milieu extérieur génère des photons, c'est-à-dire des lasers.
2. Méthodes d'excitation des lasers à semi-conducteurs
Il existe principalement trois méthodes d'excitation pour les lasers à semi-conducteurs : l'injection électrique, le pompage optique et l'excitation par faisceau d'électrons de haute énergie.
Lasers à semi-conducteurs à injection électrique : il s’agit généralement de diodes à jonction de surface semi-conductrices, constituées de matériaux tels que l’arséniure de gallium (GaAs), le sulfure de cadmium (CdS), le phosphure d’indium (InP) et le sulfure de zinc (ZnS). Leur excitation est obtenue par injection de courant direct, générant une émission stimulée dans la région de la jonction.
Lasers à semi-conducteurs pompés optiquement : Généralement, des monocristaux semi-conducteurs de type N ou P (tels que GaAs, InAs, InSb, etc.) sont utilisés comme matériau actif, et lelaserL'énergie émise par d'autres lasers est utilisée comme excitation par pompage optique.
Lasers à semi-conducteurs excités par faisceau d'électrons de haute énergie : généralement, ils utilisent des monocristaux semi-conducteurs de type N ou P (tels que PbS, CdS, ZhO, etc.) comme matériau actif et sont excités par l'injection d'un faisceau d'électrons de haute énergie. Parmi les dispositifs laser à semi-conducteurs, le laser à diode GaAs à injection électrique et à double hétérostructure présente les meilleures performances et le plus large champ d'application.
3. Les principaux types de lasers à semi-conducteurs
La région active d'un laser à semi-conducteurs est la zone centrale de génération et d'amplification des photons ; son épaisseur n'est que de quelques micromètres. Des structures de guides d'ondes internes sont utilisées pour limiter la diffusion latérale des photons et augmenter la densité d'énergie (comme les guides d'ondes à crête et les hétérojonctions enterrées). Le laser est doté d'un dissipateur thermique et utilise des matériaux à haute conductivité thermique (comme l'alliage cuivre-tungstène) pour une dissipation thermique rapide, ce qui permet d'éviter la dérive de longueur d'onde due à la surchauffe. Selon leur structure et leurs applications, les lasers à semi-conducteurs peuvent être classés en quatre catégories :
Laser à émission par la tranche (EEL)
Le laser est émis par la surface de clivage latérale de la puce, formant un faisceau elliptique (avec un angle de divergence d'environ 30° × 10°). Les longueurs d'onde typiques sont 808 nm (pour le pompage), 980 nm (pour la communication) et 1550 nm (pour la communication par fibre optique). Il est largement utilisé dans la découpe industrielle de forte puissance, comme source de pompage pour lasers à fibre et dans les réseaux dorsaux de communication optique.
2. Laser à émission de surface à cavité verticale (VCSEL)
Le laser est émis perpendiculairement à la surface de la puce, avec un faisceau circulaire et symétrique (angle de divergence < 15°). Il intègre un réflecteur de Bragg distribué (DBR), ce qui élimine le besoin d'un réflecteur externe. Il est largement utilisé dans la détection 3D (comme la reconnaissance faciale sur téléphone mobile), les communications optiques à courte portée (centres de données) et le LiDAR.
3. Laser à cascade quantique (QCL)
S’appuyant sur la transition en cascade des électrons entre puits quantiques, la longueur d’onde couvre le domaine infrarouge moyen à lointain (3-30 μm), sans nécessiter d’inversion de population. Les photons sont générés par des transitions intersous-bandes et sont couramment utilisés dans des applications telles que la détection de gaz (comme le CO₂), l’imagerie térahertz et la surveillance environnementale.
La conception de la cavité externe du laser accordable (réseau/prisme/miroir MEMS) permet une plage d'accordabilité en longueur d'onde de ±50 nm, avec une largeur de raie étroite (< 100 kHz) et un taux de réjection des modes latéraux élevé (> 50 dB). Il est couramment utilisé dans des applications telles que les communications par multiplexage en longueur d'onde dense (DWDM), l'analyse spectrale et l'imagerie biomédicale. Les lasers à semi-conducteurs sont largement utilisés dans les dispositifs de communication laser, les dispositifs de stockage numérique laser, les équipements de traitement laser, les équipements de marquage et d'emballage laser, la composition et l'impression laser, les équipements médicaux laser, les instruments de télémétrie et de collimation laser, les instruments et équipements laser pour le divertissement et l'éducation, les composants et pièces laser, etc. Ils constituent des éléments essentiels de l'industrie laser. En raison de cette large gamme d'applications, de nombreuses marques et fabricants proposent des lasers. Le choix d'un laser doit être guidé par les besoins spécifiques et les domaines d'application. Chaque fabricant propose des solutions adaptées à un domaine d'application particulier ; la sélection du fabricant et du laser doit donc être effectuée en fonction du domaine d'application du projet.
Date de publication : 5 novembre 2025