O desenvolvimento de d\u00edodos laser de elevado desempenho para o espetro vis\u00edvel representa uma das realiza\u00e7\u00f5es mais significativas na f\u00edsica do estado s\u00f3lido. Para um integrador OEM, a sele\u00e7\u00e3o entre um D\u00edodo laser de 520nm<\/strong>, a Laser de 488nm<\/strong>, ou um d\u00edodo laser uv<\/strong> n\u00e3o \u00e9 uma simples escolha de cor; \u00e9 uma sele\u00e7\u00e3o de desafios epitaxiais distintos. A ind\u00fastria de semicondutores categoriza estes dispositivos principalmente pelos seus sistemas de materiais - normalmente nitreto de \u00edndio e g\u00e1lio (InGaN) para a gama de UV a verde e fosforeto de alum\u00ednio e g\u00e1lio e \u00edndio (AlGaInP) para a gama vermelha.<\/p>\n\n\n\n No cora\u00e7\u00e3o do 520 nm<\/a><\/strong> \u00e9 o desfasamento da rede entre as camadas activas de InGaN e o substrato de GaN. Para empurrar a emiss\u00e3o do azul \u201cnatural\u201d do GaN para o verde de um laser 520 nm<\/a><\/strong>, a fra\u00e7\u00e3o molar de \u00edndio deve ser aumentada para aproximadamente 20% a 25%. Esta elevada concentra\u00e7\u00e3o de \u00edndio introduz uma tens\u00e3o de compress\u00e3o significativa. Esta deforma\u00e7\u00e3o, associada \u00e0 estrutura cristalina n\u00e3o-centrossim\u00e9trica do GaN wurtz\u00edtico, gera uma enorme Campos internos induzidos por polariza\u00e7\u00e3o<\/strong>. Estes campos provocam uma separa\u00e7\u00e3o espacial das fun\u00e7\u00f5es de onda do eletr\u00e3o e do buraco - o Efeito Stark Qu\u00e2ntico Confinado (QCSE) - o que reduz drasticamente a taxa de recombina\u00e7\u00e3o radiativa e aumenta a densidade de corrente limite ($J_{th}$).<\/p>\n\n\n\n O Laser de 488nm<\/a><\/strong> serve de ponte cr\u00edtica entre os d\u00edodos azuis de 450 nm, altamente eficientes, e os d\u00edodos verdes de 520 nm, mais dif\u00edceis. Durante d\u00e9cadas, o 488 nm foi o dom\u00ednio exclusivo dos lasers de g\u00e1s de i\u00f5es de \u00e1rgon, apreciados pela qualidade do feixe, mas detestados pela sua efici\u00eancia de 0,01% e pela enorme necessidade de arrefecimento. A transi\u00e7\u00e3o para um semicondutor Laser de 488nm<\/strong> exigiu o dom\u00ednio das concentra\u00e7\u00f5es interm\u00e9dias de \u00edndio em que o QCSE est\u00e1 presente mas \u00e9 control\u00e1vel.<\/p>\n\n\n\n Para um fabricante, o comprimento de onda de 488 nm \u00e9 particularmente sens\u00edvel a \u201cflutua\u00e7\u00f5es de \u00edndio\u201d. Com esta concentra\u00e7\u00e3o espec\u00edfica de \u00edndio, a liga tende a sofrer uma separa\u00e7\u00e3o de fases durante o processo de crescimento da Deposi\u00e7\u00e3o de Vapor Qu\u00edmico Metal-Org\u00e2nico (MOCVD). Se os \u00e1tomos de \u00edndio se agruparem, criam po\u00e7os de potencial localizados que alargam o espetro de emiss\u00e3o e aumentam a Coeficientes de recombina\u00e7\u00e3o Auger<\/strong>. Este mecanismo de perda n\u00e3o radiativa, em que a energia de uma recombina\u00e7\u00e3o eletr\u00e3o-buraco \u00e9 transferida para um terceiro portador em vez de um fot\u00e3o, \u00e9 a principal raz\u00e3o pela qual os d\u00edodos cianos de alta pot\u00eancia exigem uma gest\u00e3o t\u00e9rmica superior para manter um modo longitudinal est\u00e1vel.<\/p>\n\n\n\n Passando para o regime ultravioleta (UV), tipicamente entre 375 nm e 405 nm<\/a>, a f\u00edsica passa da gest\u00e3o da tens\u00e3o para a gest\u00e3o da energia dos fot\u00f5es. A d\u00edodo laser uv<\/a><\/strong> funciona perto do intervalo de separa\u00e7\u00e3o fundamental do GaN. O principal obst\u00e1culo de engenharia neste caso \u00e9 a dopagem do tipo p. \u00c0 medida que o teor de alum\u00ednio (Al) \u00e9 aumentado para atingir comprimentos de onda mais curtos (passando de 405 nm para 375 nm), a energia de ativa\u00e7\u00e3o do dopante magn\u00e9sio (Mg) aumenta. Isto conduz a baixas concentra\u00e7\u00f5es de orif\u00edcios, elevada resist\u00eancia em s\u00e9rie e aquecimento excessivo por efeito de Joule.<\/p>\n\n\n\n Al\u00e9m disso, a faceta de sa\u00edda de um d\u00edodo laser uv<\/strong> \u00e9 submetido a condi\u00e7\u00f5es extremas. Os fot\u00f5es UV t\u00eam energia suficiente para facilitar a dissocia\u00e7\u00e3o do vapor de \u00e1gua ambiente e dos hidrocarbonetos, levando \u00e0 deposi\u00e7\u00e3o de material carbonoso na faceta. Esta \u201cfuligem \u00f3tica\u201d aumenta a absor\u00e7\u00e3o, o que provoca um aumento localizado da temperatura, acelerando ainda mais a oxida\u00e7\u00e3o do cristal semicondutor. Os d\u00edodos UV topo de gama t\u00eam de utilizar \u201cRevestimento de Faceta UHV (Ultra-High Vacuum)\u201d e pilhas diel\u00e9ctricas especializadas (normalmente $Al_2O_3$ ou $SiO_2$) para evitar danos \u00f3pticos catastr\u00f3ficos (COD).<\/p>\n\n\n\n O Laser de 650nm<\/a><\/strong> representa o auge do sistema de materiais AlGaInP em substratos de GaAs. Ao contr\u00e1rio dos lasers verdes e UV baseados em GaN, o laser vermelho Laser de 650nm<\/strong> \u00e9 limitada pelo \u201cConfinamento de portadores\u201d. O desvio de banda entre o po\u00e7o qu\u00e2ntico e as camadas de revestimento em AlGaInP \u00e9 relativamente pequeno. \u00c0 medida que o dispositivo aquece, os electr\u00f5es podem facilmente \u201ctransbordar\u201d da regi\u00e3o ativa e escapar para a camada de revestimento p.<\/p>\n\n\n\n Esta fuga de portador \u00e9 a raz\u00e3o pela qual os d\u00edodos vermelhos apresentam uma temperatura carater\u00edstica muito mais baixa ($T_0$) do que os d\u00edodos azuis ou verdes. Para um comprador industrial, isto significa que um Laser de 650nm<\/strong> deve ser projetado com um caminho t\u00e9rmico extremamente eficiente. Mesmo um aumento de 5\u00b0C na temperatura da jun\u00e7\u00e3o pode causar uma queda de 15% na efici\u00eancia da inclina\u00e7\u00e3o. Para combater esta situa\u00e7\u00e3o, os fabricantes de precis\u00e3o utilizam estruturas de \u201cBarreira Multi-Quantum\u201d (MQB) - uma s\u00e9rie de camadas finas que criam um filtro de interfer\u00eancia para os electr\u00f5es, aumentando efetivamente a altura efectiva da barreira sem alterar a composi\u00e7\u00e3o do material.<\/p>\n\n\n\n Em todos estes d\u00edodos do espetro vis\u00edvel, a obten\u00e7\u00e3o de elevados Domin\u00e2ncia do modo el\u00e9trico transversal (TE)<\/strong> \u00e9 essencial para aplica\u00e7\u00f5es que envolvem \u00f3tica sens\u00edvel \u00e0 polariza\u00e7\u00e3o, tais como ecr\u00e3s hologr\u00e1ficos ou interferometria. Devido \u00e0 tens\u00e3o compressiva nos po\u00e7os qu\u00e2nticos de InGaN, a transi\u00e7\u00e3o entre a banda de condu\u00e7\u00e3o e a banda de val\u00eancia \u201cHeavy-Hole\u201d \u00e9 favorecida, o que naturalmente promove a polariza\u00e7\u00e3o TE.<\/p>\n\n\n\n No entanto, \u00e0 medida que o teor de \u00edndio aumenta para um D\u00edodo laser de 520nm<\/a><\/strong>, A estrutura da banda de val\u00eancia torna-se complexa. Se a tens\u00e3o n\u00e3o estiver perfeitamente equilibrada, as bandas \u201cLight-Hole\u201d ou \u201cCrystal-Field Split-Off\u201d podem interferir, levando a um r\u00e1cio de extin\u00e7\u00e3o de polariza\u00e7\u00e3o (PER) degradado. Uma classe mundial F\u00e1brica de d\u00edodos laser na China<\/a><\/strong> devem efetuar um mapeamento rigoroso da polariza\u00e7\u00e3o para garantir que a rela\u00e7\u00e3o TE\/TM excede 100:1, assegurando a compatibilidade do componente com comboios \u00f3pticos de alta precis\u00e3o.<\/p>\n\n\n\n A tabela seguinte apresenta em pormenor as carater\u00edsticas de desempenho que determinam a eletr\u00f3nica de acionamento e os requisitos de arrefecimento para d\u00edodos de diferentes comprimentos de onda.<\/p>\n\n\n\n Antecedentes do cliente:<\/p>\n\n\n\n Uma empresa de biotecnologia especializada em Sequencia\u00e7\u00e3o de Nova Gera\u00e7\u00e3o (NGS) necessitava de um motor de luz de alta pot\u00eancia e v\u00e1rios comprimentos de onda. O dispositivo precisava de fornecer excita\u00e7\u00e3o a laser a 488 nm (para corantes FAM) e 520 nm (para corantes HEX\/VIC). O requisito cr\u00edtico era \u201cEstabilidade de pot\u00eancia de baixa frequ\u00eancia\u201d (flutua\u00e7\u00e3o < 0,1% durante 1 hora) e um feixe perfeitamente circularizado para maximizar o rendimento na c\u00e9lula de fluxo.<\/p>\n\n\n\n Desafios t\u00e9cnicos:<\/p>\n\n\n\n O principal problema era a \u201cinterfer\u00eancia t\u00e9rmica\u201d. O d\u00edodo de 520 nm, sendo o menos eficiente, gerava um calor significativo. Este calor provocou uma desloca\u00e7\u00e3o do comprimento de onda no canal de 488 nm, o que afastou o pico de excita\u00e7\u00e3o do m\u00e1ximo de absor\u00e7\u00e3o do corante, resultando numa perda de sinal de fluoresc\u00eancia. Al\u00e9m disso, o d\u00edodo laser uv utilizado para \u201climpar\u201d periodicamente as faces da c\u00e9lula de fluxo estava a causar a degrada\u00e7\u00e3o por ozono dos adesivos \u00f3pticos internos.<\/p>\n\n\n\n Par\u00e2metros t\u00e9cnicos e defini\u00e7\u00f5es:<\/strong><\/p>\n\n\n\n Solu\u00e7\u00e3o de controlo de qualidade e engenharia:<\/p>\n\n\n\n A equipa de engenharia desenvolveu uma \u201cBancada \u00d3tica Termicamente Isolada\u201d. O d\u00edodo laser de 520 nm foi montado num sub-TEC (arrefecedor termoel\u00e9trico) dedicado para dissociar a sua carga t\u00e9rmica do resto do coletor. Para o laser de 488 nm, implement\u00e1mos um circuito \u201cNoise-Eater\u201d - um modulador ac\u00fastico-\u00f3tico (AOM) com um circuito de feedback de alta velocidade - para suprimir o ru\u00eddo 1\/f inerente aos d\u00edodos InGaN de alta pot\u00eancia.<\/p>\n\n\n\nO laser de 488nm: Colmatando a lacuna do ciano<\/h3>\n\n\n\n
D\u00edodo laser UV: F\u00edsica da Faceta e Desafios do AlGaN<\/h3>\n\n\n\n
O laser de 650nm: AlGaInP e fuga de portadores<\/h3>\n\n\n\n
Engenharia para domin\u00e2ncia do modo el\u00e9trico transversal (TE)<\/h3>\n\n\n\n
Compara\u00e7\u00e3o t\u00e9cnica dos par\u00e2metros do espetro vis\u00edvel<\/h3>\n\n\n\n
Par\u00e2metro<\/strong><\/td> UV (375 nm)<\/strong><\/td> Ciano (488 nm)<\/strong><\/td> Verde (520 nm)<\/strong><\/td> Vermelho (650 nm)<\/strong><\/td><\/tr><\/thead> Sistema de materiais<\/strong><\/td> AlGaN \/ GaN<\/td> InGaN \/ GaN<\/td> InGaN \/ GaN<\/td> AlGaInP \/ GaAs<\/td><\/tr> T\u00edpico $V_f$ (V)<\/strong><\/td> 4.5 - 5.5<\/td> 4.0 - 5.0<\/td> 4.8 - 6.0<\/td> 2.2 - 2.8<\/td><\/tr> Efici\u00eancia de inclina\u00e7\u00e3o (W\/A)<\/strong><\/td> 0.8 - 1.2<\/td> 1.0 - 1.4<\/td> 0.4 - 0.8<\/td> 0.9 - 1.1<\/td><\/tr> M\u00e1ximo $T_j$ (\u00b0C)<\/strong><\/td> 80<\/td> 100<\/td> 85<\/td> 60<\/td><\/tr> Desvio do comprimento de onda (nm\/K)<\/strong><\/td> 0.05<\/td> 0.04<\/td> 0.03<\/td> 0.23<\/td><\/tr> Diverg\u00eancia do feixe (FWHM)<\/strong><\/td> 10\u00b0 x 30\u00b0<\/td> 8\u00b0 x 25\u00b0<\/td> 12\u00b0 x 35\u00b0<\/td> 9\u00b0 x 28\u00b0<\/td><\/tr><\/tbody><\/table><\/figure>\n\n\n\n Estudo de caso: M\u00f3dulo ultra-est\u00e1vel de m\u00faltiplos comprimentos de onda para sequencia\u00e7\u00e3o de ADN<\/h3>\n\n\n\n
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