Полупроводнички ласери: видови, уред, принцип на работа, примена

Полупроводнички ласери се квантни генератори базирани на полупроводнички активен медиум во кој оптичката засилување се добива со стимулирана емисија во квантната транзиција помеѓу нивоата на енергија во висока концентрација на носители на полнење во слободна зона.

Полупроводнички ласер: принцип на работа

Во обична состојба, повеќето електрони се наоѓаат на ниво на валентност. Кога фотоните ја снабдуваат енергијата што ја надминува енергијата на зона на дисконтинуитет, електроните на полупроводникот доаѓаат до состојба на возбуда и преминувањето на забраната зона преминуваат во слободната зона, концентрирајќи се на долниот раб. Во исто време, дупките формирани на ниво на валентност се искачуваат до горната граница. Електроните во слободната зона се рекомбинираат со дупки, кои испуштаат енергија еднаква на енергијата на дисконтинуитетната зона, во форма на фотони. Рекомбинацијата може да се засили со фотони со доволно енергија. Нумеричкиот опис одговара на функцијата за дистрибуција на Ферми.

Уред

Полупроводнички ласерски уред е ласерска диода пумпана од енергијата на електроните и дупките во регионот pn-спојување-точка на контакт на полупроводници со спроводливост на p и n. Покрај тоа, постојат полупроводнички ласери со оптичка енергија, во кои зракот се формира со апсорпција на фотоните на светлината, како и со квантните каскадни ласери чие дејство се базира на транзиции во рамките на опсезите.

Состав

Стандардните врски што се користат во двата полупроводнички ласери и други оптоелектронски уреди се како што следува:

• Галиум арсенид;
• Галиум фосфид;
• Галиум нитрид;
• Индиум фосфид;
• Индиум галиум арсенид;
• Арсенид од алуминиум-галиум;
• Арсенид-нитрид галиум-индиум;
• Галиум-индиум фосфид.

Бранова должина

Овие соединенија се полупроводници со директен јаз. Индиректното (силиконско) светло со доволна сила и ефикасност не зрачи. Радиус бранова должина на диоден ласер зависи од степенот на приближување на енергијата на фотонот до енергијата на зоната на прекин на одредено соединение. Во 3- и 4-компонентните соединенија на полупроводници, енергијата на дисконтинуитетната зона може постојано да се менува во широк опсег. Во AlGaAs = Al _x Ga _1-x Како што, на пример, зголемувањето на содржината на алуминиум (зголемување на x) резултира со зголемување на енергијата на зоната на дисконтинуитет.

Додека најчестите полупроводнички ласери работат во блискиот IR дел од спектарот, некои испуштаат црвен (галиум-индиум фосфид), сини или виолетови (галиум нитрид) во боја. Просечното инфрацрвено зрачење се произведува од полупроводнички ласери (оловни селениди) и квантни каскадни ласери.

Органски полупроводници

Во прилог на горенаведените неоргански соединенија, исто така може да се користи органски. Соодветната технологија се уште е во развој, но нејзиниот развој ветува значително да ги намали трошоците за производство на квантни генератори. Досега се развиени само органски ласери со оптичко напојување, а сеуште не е постигнато високо ефикасно електрично пумпање.

Сорти

Се создаваат многу полупроводнички ласери, кои се разликуваат во параметрите и вредноста на апликацијата.

Малите ласерски диоди произведуваат висококвалитетен зрак на зрачење на лицето, чија моќност се движи од неколку до петстотини милијарди. Ласерскиот диоден кристал е тенка правоаголна плоча која служи како брановод, бидејќи зрачењето е ограничено на мал простор. Кристалот е легиран на двете страни за да се создаде поврзување со голема површина pn. Полираните краеви создаваат оптички Фабри-Перо резонатор. Фотонот, поминувајќи низ резонаторот, ќе предизвика рекомбинација, зрачењето ќе се зголеми и генерацијата ќе почне. Тие се користат во ласерски покажувачи, CD и DVD плеери, како и во комуникација со оптички влакна.

Нискомоќните монолитни ласери и квантни генератори со надворешна шуплина за да формираат кратки импулси може да произведат синхронизација на владата.

Полупроводнички ласери со надворешен резонатор се состојат од ласерска диода, која ја игра улогата на засилувачки медиум во составот на поголема ласерска празнина. Тие можат да ги променат брановите должини и да имаат тесен опсег на зрачење.

Инјекционите полупроводнички ласери имаат област на зрачење во форма на широк опсег, можат да генерираат низок квалитет на зрак со моќност од неколку вати. Тие се состојат од тенок активен слој кој се наоѓа помеѓу п- и n-слоевите, формирајќи двојна хетеројност. Механизмот на ограничување на светлината во страничната насока е отсутен, што резултира со голема елиптичност на зракот и неприфатливо високи прагови.

Моќните диодни низи, кои се состојат од низа широкопојасни диоди, се способни да создадат медиокритет зрак со моќност од десетици вати.

Моќните дводимензионални низи на диоди можат да генерираат енергија во стотици и илјадници вати.

Ласерите со емитување на површини (VCSEL) испуштаат квалитетен зрак на светлина неколку миливат вата нормално на плочата. На површината на зрачењето, резонантните огледала се поставуваат во форма на слоеви во една четвртина од бранот на бранот со различни рефрактивни индекси. Еден кристал може да произведе неколку стотици ласери, што ја отвора можноста за нивно масовно производство.

Ласерите VECSEL со оптичко напојување и надворешен резонатор можат да генерираат квалитетен зрак со моќност од неколку вати за време на синхронизација на владата.

Работата на квантно-каскадниот тип полупроводнички ласер се базира на транзиции во зони (за разлика од меѓусебните). Овие уреди се емитираат во средината на инфрацрвениот дел од спектарот, понекогаш во опсегот на терагерцо. Тие се користат, на пример, како гасни анализатори.

Полупроводнички ласери: апликација и главни аспекти

Моќните диодни ласери со високо-ефикасно електрично пумпање со умерени напони се користат како средство за снабдување на енергија со високи перформанси со цврста состојба на ласери.

Полупроводнички ласери можат да работат во широк фреквентен опсег, кој го вклучува видливиот инфрацрвен и среден инфрацрвен дел од спектарот. Создадени се уреди кои, исто така, овозможуваат промена на фреквенцијата на избувнувањето.

Ласерските диоди можат брзо да се префрлат и модулираат оптичка моќност, која наоѓа апликација во предавателите на фибер-оптички комуникациски линии.

Таквите карактеристики направиле полупроводнички ласери нај технолошки важен тип на квантни генератори. Тие се применуваат:

• Во сензорите за телеметрија, пирометри, оптички височини, пронаоѓачи на опсег, место, холографија;
• Во оптички влакна системи на оптички пренос и складирање на податоци, системи на кохерентна комуникација;
• Во ласерски печатари, видео проектори, покажувачи, скенери за бар-код, скенери за слики, CD плеери (DVD, CD, Blu-Ray);
• Во безбедносни системи, квантна криптографија, автоматизација, индикатори;
• Во оптичката метрологија и спектроскопија;
• Во хирургија, стоматологија, козметологија, терапија;
• За третман на вода, преработка на материјал, транспорт на ласери со цврста состојба, контрола на хемиски реакции, индустриски сортирање, индустриски инженеринг, системи за палење, системи за воздушна одбрана.

Пулсен излез

Повеќето полупроводнички ласери генерираат континуиран зрак. Бидејќи краткото траење на електроните остануваат на ниво на спроводливост, тие не се многу погодни за генерирање на импулси со Q-префрлување, но квази-континуираниот начин на работа овозможува значително зголемување на моќноста на квантниот генератор. Покрај тоа, полупроводнички ласери може да се користат за генерирање на ултракортни импулси со синхронизација на владата или префрлување на добивка. Просечната моќност на кратки импулси обично е ограничена на неколку миливати, со исклучок на VECSEL ласерите со оптичко пумпа, чиј излез се мери со мулти-вати пикосекундирани импулси со фреквенција од десетици гигагерци.

Модулација и стабилизација

Предноста на краткотрајниот електронски престој во пропусниот опсег е способноста на полупроводничките ласери да се високофреквентна модулација, која кај VCSEL ласерите надминува 10 GHz. Ова најде примена во оптички пренос на податоци, спектроскопија и стабилизација на ласерите.