مبدأ العمل والأنواع الرئيسيةليزر أشباه الموصلات
أشباه الموصلاتثنائيات الليزربفضل كفاءتها العالية، وصغر حجمها، وتنوع أطوالها الموجية، تُستخدم على نطاق واسع كمكونات أساسية في تكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية في مجالات مثل الاتصالات، والرعاية الطبية، والمعالجة الصناعية. تُقدم هذه المقالة شرحًا وافيًا لمبدأ عمل ليزرات أشباه الموصلات وأنواعها، مما يُسهّل اختيار المراجع المناسبة لغالبية الباحثين في مجال الإلكترونيات الضوئية.
1. مبدأ إصدار الضوء لليزر أشباه الموصلات
يعتمد مبدأ التلألؤ في ليزرات أشباه الموصلات على بنية النطاق، والانتقالات الإلكترونية، والانبعاث المُحفَّز للمواد شبه الموصلة. المواد شبه الموصلة هي نوع من المواد ذات فجوة نطاقية، تشمل نطاق تكافؤ ونطاق توصيل. عندما تكون المادة في الحالة الأرضية، تملأ الإلكترونات نطاق التكافؤ، بينما لا توجد إلكترونات في نطاق التوصيل. عند تطبيق مجال كهربائي خارجي معين أو حقن تيار، تنتقل بعض الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل، مُشكِّلةً أزواج الإلكترونات والفجوات. أثناء عملية إطلاق الطاقة، عندما تُحفَّز هذه الأزواج من الإلكترونات والفجوات بواسطة البيئة الخارجية، تتولد الفوتونات، أي الليزرات.
2. طرق إثارة ليزرات أشباه الموصلات
هناك ثلاث طرق إثارة رئيسية لليزر أشباه الموصلات، وهي نوع الحقن الكهربائي، ونوع المضخة البصرية، ونوع إثارة شعاع الإلكترون عالي الطاقة.
ليزرات أشباه الموصلات المحقونة كهربائيًا: وهي عمومًا ثنائيات شبه موصلة ذات تقاطع سطحي مصنوعة من مواد مثل زرنيخيد الغاليوم (GaAs)، وكبريتيد الكادميوم (CdS)، وفوسفيد الإنديوم (InP)، وكبريتيد الزنك (ZnS). تُثار هذه الثنائيات بحقن تيار كهربائي على طول الانحياز الأمامي، مما يُولّد انبعاثًا مُحفَّزًا في منطقة مستوى التقاطع.
ليزر أشباه الموصلات المضخوخة بصريًا: بشكل عام، يتم استخدام بلورات أشباه الموصلات المفردة من النوع N أو النوع P (مثل GaAS وInAs وInSb وما إلى ذلك) كمادة عاملة، والليزريتم استخدام الإشعاع المنبعث من أشعة الليزر الأخرى كإثارة مضخوخة بصريًا.
ليزرات أشباه الموصلات عالية الطاقة المُثارة بحزمة الإلكترونات: تستخدم هذه الليزرات عمومًا بلورات أحادية أشباه الموصلات من النوع N أو P (مثل كبريتيد الرصاص، كبريتيد الكادميوم، أكسيد الزنك، إلخ) كمادة عاملة، وتُثار بحقن حزمة إلكترونات عالية الطاقة من الخارج. من بين أجهزة ليزر أشباه الموصلات، يُعد ليزر ثنائي أكسيد الغاليوم المُحقن كهربائيًا ذو البنية غير المتجانسة المزدوجة هو الأفضل أداءً والأكثر استخدامًا.
3. الأنواع الرئيسية لليزر أشباه الموصلات
المنطقة النشطة في ليزر أشباه الموصلات هي المنطقة الأساسية لتوليد الفوتونات وتضخيمها، ويبلغ سمكها بضعة ميكرومترات فقط. تُستخدم هياكل الدليل الموجي الداخلية للحد من الانتشار الجانبي للفوتونات وتعزيز كثافة الطاقة (مثل أدلة الموجة التلية والوصلات غير المتجانسة المدفونة). يعتمد الليزر على تصميم مشتت حراري، ويختار مواد عالية التوصيل الحراري (مثل سبيكة النحاس والتنغستن) لتبديد الحرارة بسرعة، مما يمنع انجراف الطول الموجي الناتج عن ارتفاع درجة الحرارة. وفقًا لهيكلها وتطبيقاتها، يمكن تصنيف ليزرات أشباه الموصلات إلى الفئات الأربع التالية:
ليزر إصدار الحافة (EEL)
يُخرَج الليزر من سطح الانقسام على جانب الشريحة، مُشكِّلاً بقعة بيضاوية (بزاوية تباعد تُقارب 30°×10°). تشمل الأطوال الموجية النموذجية 808 نانومتر (للضخ)، و980 نانومتر (للاتصالات)، و1550 نانومتر (للاتصالات عبر الألياف). ويُستخدم على نطاق واسع في القطع الصناعي عالي القدرة، ومصادر ضخ ليزر الألياف، وشبكات الاتصالات البصرية الأساسية.
2. ليزر انبعاث السطح بالتجويف الرأسي (VCSEL)
يُصدر الليزر عموديًا على سطح الشريحة، بشعاع دائري ومتماثل (زاوية تباعد <15 درجة). ويتكامل مع عاكس براغ الموزع (DBR)، مما يُغني عن استخدام عاكس خارجي. ويُستخدم على نطاق واسع في الاستشعار ثلاثي الأبعاد (مثل تقنية التعرف على الوجوه في الهواتف المحمولة)، والاتصالات البصرية قصيرة المدى (مراكز البيانات)، وتقنية الليدار (LiDAR).
3. ليزر الشلال الكمومي (QCL)
استنادًا إلى الانتقال المتتالي للإلكترونات بين آبار الكم، يغطي الطول الموجي نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى البعيدة (3-30 ميكرومتر)، دون الحاجة إلى انعكاس السكان. تُولّد الفوتونات من خلال انتقالات بين النطاقات الفرعية، وتُستخدم عادةً في تطبيقات مثل استشعار الغازات (مثل الكشف عن ثاني أكسيد الكربون)، والتصوير بتردد تيراهرتز، ومراقبة البيئة.
يمكن لتصميم التجويف الخارجي لليزر القابل للضبط (الشبكة/المنشور/مرآة MEMS) تحقيق نطاق ضبط للطول الموجي يبلغ ±50 نانومتر، مع عرض خط ضيق (<100 كيلو هرتز) ونسبة رفض عالية للوضع الجانبي (>50 ديسيبل). يُستخدم هذا الليزر عادةً في تطبيقات مثل اتصالات تقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM)، والتحليل الطيفي، والتصوير الطبي الحيوي. تُستخدم ليزرات أشباه الموصلات على نطاق واسع في أجهزة ليزر الاتصالات، وأجهزة تخزين الليزر الرقمية، ومعدات معالجة الليزر، ومعدات الوسم والتغليف بالليزر، والتنضيد والطباعة بالليزر، والمعدات الطبية بالليزر، وأجهزة كشف المسافة والتسوية بالليزر، وأجهزة الليزر ومعدات الترفيه والتعليم، ومكونات الليزر وقطع غياره، وغيرها. تُعدّ هذه الليزرات من المكونات الأساسية لصناعة الليزر. ونظرًا لتعدد تطبيقاتها، تتعدد العلامات التجارية والشركات المصنعة لليزر. عند اختيار الليزر المناسب، يجب مراعاة الاحتياجات ومجالات التطبيق المحددة. فلكل مصنع تطبيقاته الخاصة في مجالات متنوعة، ويجب اختيار المصنعين والليزر المناسب وفقًا لمجال التطبيق الفعلي للمشروع.
وقت النشر: 5 نوفمبر 2025