مبدأ العمل والأنواع الرئيسية لـليزر أشباه الموصلات
أشباه الموصلاتثنائيات الليزرتُستخدم ليزرات أشباه الموصلات، بفضل كفاءتها العالية، وصغر حجمها، وتنوع أطوال موجاتها، على نطاق واسع كمكونات أساسية في تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية في مجالات مثل الاتصالات، والرعاية الطبية، والتصنيع. تُقدم هذه المقالة شرحًا لمبدأ عمل ليزرات أشباه الموصلات وأنواعها، مما يُسهّل على معظم الباحثين في مجال الإلكترونيات الضوئية اختيار الليزر المناسب.
1. مبدأ انبعاث الضوء في ليزرات أشباه الموصلات
يعتمد مبدأ التلألؤ في ليزرات أشباه الموصلات على بنية النطاقات، والانتقالات الإلكترونية، والانبعاث المحفز لمواد أشباه الموصلات. مواد أشباه الموصلات هي نوع من المواد ذات فجوة نطاقية، تتضمن نطاق التكافؤ ونطاق التوصيل. عندما تكون المادة في حالتها الأرضية، تملأ الإلكترونات نطاق التكافؤ بينما لا توجد إلكترونات في نطاق التوصيل. عند تطبيق مجال كهربائي خارجي أو حقن تيار كهربائي، تنتقل بعض الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مُكَوِّنةً أزواج إلكترون-فجوة. خلال عملية إطلاق الطاقة، عندما تُحفَّز هذه الأزواج من الإلكترون-فجوة بواسطة مؤثرات خارجية، تتولد الفوتونات، أي الليزر.
2. طرق إثارة ليزرات أشباه الموصلات
توجد بشكل رئيسي ثلاث طرق إثارة لأشعة الليزر شبه الموصلة، وهي نوع الحقن الكهربائي، ونوع الضخ البصري، ونوع إثارة حزمة الإلكترونات عالية الطاقة.
ليزرات أشباه الموصلات المحقونة كهربائياً: هي عموماً ثنائيات وصلة سطحية لأشباه الموصلات مصنوعة من مواد مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs) وكبريتيد الكادميوم (CdS) وفوسفيد الإنديوم (InP) وكبريتيد الزنك (ZnS). يتم إثارتها بحقن تيار كهربائي في اتجاه الانحياز الأمامي، مما يُولد انبعاثاً محفزاً في منطقة مستوى الوصلة.
ليزرات أشباه الموصلات المضخّة ضوئيًا: بشكل عام، تُستخدم بلورات أحادية من أشباه الموصلات من النوع N أو النوع P (مثل GaAS وInAs وInSb وما إلى ذلك) كمادة عاملة، وليزريتم استخدام الإشعاع المنبعث من الليزرات الأخرى كإثارة يتم ضخها ضوئياً.
ليزرات أشباه الموصلات المُثارة بحزمة إلكترونية عالية الطاقة: تستخدم هذه الليزرات عادةً بلورات أحادية من أشباه الموصلات من النوع N أو P (مثل PbS، CdS، ZhO، إلخ) كمادة عاملة، ويتم إثارتها عن طريق حقن حزمة إلكترونية عالية الطاقة من الخارج. ومن بين أجهزة ليزر أشباه الموصلات، يتميز ليزر ثنائي GaAs ذو البنية غير المتجانسة المزدوجة والمُحقون كهربائيًا بأداء أفضل وتطبيقات أوسع.
3. الأنواع الرئيسية لأشعة الليزر شبه الموصلة
المنطقة الفعالة في ليزر أشباه الموصلات هي المنطقة الأساسية لتوليد الفوتونات وتضخيمها، ويبلغ سمكها بضعة ميكرومترات فقط. تُستخدم هياكل الموجهات الداخلية للحد من الانتشار الجانبي للفوتونات وتعزيز كثافة الطاقة (مثل الموجهات ذات الحواف والوصلات غير المتجانسة المدفونة). يعتمد الليزر تصميمًا لتشتيت الحرارة، ويختار مواد ذات موصلية حرارية عالية (مثل سبيكة النحاس والتنغستن) لتبديد الحرارة بسرعة، مما يمنع انحراف الطول الموجي الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة. وفقًا لبنيتها وتطبيقاتها، يمكن تصنيف ليزرات أشباه الموصلات إلى الفئات الأربع التالية:
الليزر ذو الانبعاث الحافي (EEL)
يُصدر الليزر شعاعه من سطح القطع على جانب الشريحة، مُشكِّلاً بقعة بيضاوية الشكل (بزاوية تباعد تبلغ حوالي 30°×10°). تشمل الأطوال الموجية الشائعة 808 نانومتر (للضخ)، و980 نانومتر (للاتصالات)، و1550 نانومتر (للاتصالات عبر الألياف الضوئية). ويُستخدم على نطاق واسع في عمليات القطع الصناعية عالية الطاقة، ومصادر ضخ الليزر عبر الألياف الضوئية، وشبكات الاتصالات الضوئية الأساسية.
2. ليزر انبعاث السطح ذو التجويف الرأسي (VCSEL)
يُصدر الليزر شعاعًا دائريًا متناظرًا (زاوية التباعد أقل من 15 درجة) عموديًا على سطح الشريحة. وهو مزود بعاكس براغ موزع (DBR)، مما يُغني عن الحاجة إلى عاكس خارجي. ويُستخدم على نطاق واسع في الاستشعار ثلاثي الأبعاد (مثل التعرف على الوجوه في الهواتف المحمولة)، والاتصالات الضوئية قصيرة المدى (مراكز البيانات)، وتقنية الليدار.
3. ليزر الشلال الكمي (QCL)
يعتمد الطول الموجي على انتقال الإلكترونات المتتالي بين الآبار الكمومية، ويغطي نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى البعيدة (3-30 ميكرومتر)، دون الحاجة إلى انعكاس التوزيع السكاني. تُولّد الفوتونات من خلال انتقالات بين مستويات الطاقة الفرعية، وتُستخدم عادةً في تطبيقات مثل استشعار الغازات (مثل الكشف عن ثاني أكسيد الكربون)، والتصوير بالتيراهيرتز، والرصد البيئي.
يُتيح تصميم التجويف الخارجي لليزر القابل للضبط (الشبكة/المنشور/مرآة MEMS) نطاق ضبط طول موجي يصل إلى ±50 نانومتر، مع عرض خط طيفي ضيق (<100 كيلوهرتز) ونسبة رفض عالية للأنماط الجانبية (>50 ديسيبل). ويُستخدم هذا الليزر على نطاق واسع في تطبيقات مثل اتصالات تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM)، والتحليل الطيفي، والتصوير الطبي الحيوي. أما ليزرات أشباه الموصلات، فتُستخدم على نطاق واسع في أجهزة ليزر الاتصالات، وأجهزة تخزين الليزر الرقمية، ومعدات معالجة الليزر، ومعدات تعليم وتغليف الليزر، وطباعة وتنسيق الليزر، ومعدات الليزر الطبية، وأجهزة كشف المسافة والتوازي بالليزر، وأجهزة ومعدات الليزر للترفيه والتعليم، ومكونات وأجزاء الليزر، وغيرها. وهي تُعدّ من المكونات الأساسية لصناعة الليزر. ونظرًا لتعدد استخداماتها، يوجد العديد من العلامات التجارية والشركات المصنعة لليزر. عند الاختيار، يجب أن يستند إلى الاحتياجات المحددة ومجالات التطبيق. فلكل شركة مصنعة تطبيقاتها الخاصة في مختلف المجالات، ويجب أن يتم اختيار الشركات المصنعة والليزر وفقًا لمجال التطبيق الفعلي للمشروع.
تاريخ النشر: 5 نوفمبر 2025