Polovodičové lasery: typy, zařízení, princip činnosti, aplikace

Polovodičové lasery jsou kvantovégenerátory založené na polovodičovém aktivním médiu, ve kterém je optická amplifikace generována stimulovanou emisí během kvantového přechodu mezi energetickými hladinami při vysoké koncentraci nosičů náboje ve volné zóně.

Polovodičový laser: princip činnosti

V normálním stavu je většina elektronůnachází se na valenční úrovni. Když fotony dodávají energii převyšující energii diskontinuitní zóny, polovodičové elektrony vstoupí do stavu excitace a poté, co překonají zakázanou zónu, projdou do volné zóny a soustředí se na její spodní okraj. Současně se otvory vytvořené na úrovni valence zvedají k horní hranici. Elektrony ve svobodném pásmu se kombinují s otvory, emitující energii rovnou energii diskontinuity ve formě fotonů. Rekombinace může být podpořena fotony s dostatečnou úrovní energie. Numerický popis odpovídá distribuční funkci Fermi.

Zařízení

Polovodičové laserové zařízení představujeJde o laserovou diodu, která je čerpána energií elektronů a děr ve spojovací zóně pn, kde polovodiče přicházejí do styku s vodivostí typu p a n. Kromě toho existují polovodičové lasery s optickou energií, ve které se paprsek vytváří absorpcí fotonů světla, jakož i kvantové kaskádové lasery, jejichž činnost je založena na přechodech uvnitř pásem.

Složení

Standardní sloučeniny používané jak v polovodičových laserech, tak v jiných optoelektronických zařízeních jsou následující:

• arzenid gallia;
• fosfid gallia;
• nitrid gallia;
• fosfid india;
• indium gallium arsenid;
• arzenid hlinitého gallia;
• nitrid arzenidu gallia india;
• fosforečnan indiumfosfát.

Vlnová délka

Tyto sloučeniny jsou přímočarými polovodiči.Nepřímé zónové (křemíkové) světlo nevyzařuje dostatečnou sílu a účinnost. Vlnová délka záření diodového laseru závisí na stupni aproximace fotonové energie k energii lomové zóny konkrétní sloučeniny. Ve 3-a 4-komponentních polovodičových sloučeninách se energie diskontinuitní zóny může plynule měnit v širokém rozmezí. AlGaAs = Al_sHa_{1 x}Jako například zvýšení obsahu hliníku (zvýšení x) má za následek zvýšení energie protrhávací zóny.

Zatímco nejčastějšípolovodičové lasery pracují v blízké infračervené části spektra, některé vyzařují červené (gallium-indium fosfid), modré nebo fialové (gallium nitrid) barvy. Polovodičové lasery (selenid olova) a kvantové kaskádové lasery vytvářejí střední infračervené záření.

Organické polovodiče

Kromě výše uvedených anorganických sloučeninorganické lze také použít. Odpovídající technologie je stále ve vývoji, ale její vývoj slibuje výrazné snížení nákladů na výrobu kvantových generátorů. Doposud byly vyvinuty organické lasery s optickou energií a dosud nebylo dosaženo vysoce účinného elektrického čerpání.

Odrůdy

Bylo vytvořeno mnoho polovodičových laserů, lišících se parametry a použitou hodnotou.

Malé laserové diody produkují vysoce kvalitnípaprsek koncového záření, jehož síla se pohybuje od několika do pěti set miliwattů. Krystal laserové diody je tenká deska obdélníkového tvaru, která slouží jako vlnovod, protože záření je omezeno na malý prostor. Krystal je dotován na obou stranách, aby se vytvořil velký spoj pn. Leštěné konce vytvářejí optický rezonátor Fabry - Perot. Foton procházející rezonátorem způsobí rekombinaci, záření se zvýší a generace začne. Používají se v laserových ukazovátcích, CD a DVD přehrávačích a také v komunikaci s optickými vlákny.

Nízkoenergetické monolitické lasery a kvantové generátory s vnější dutinou pro generování krátkých pulzů mohou způsobit blokování režimu.

Polovodičové lasery s externím rezonátoremsestávají z laserové diody, která hraje roli zesilovacího média ve větší laserové dutině. Jsou schopné měnit vlnové délky a mají úzké emisní pásmo.

Injekční polovodičové lasery majíoblast záření ve formě širokého pásma, může generovat paprsek nízké kvality o výkonu několika wattů. Skládají se z tenké aktivní vrstvy umístěné mezi vrstvami p a n, tvořící dvojitou heterojunkci. Mechanismus omezování světla v bočním směru chybí, což má za následek elipticitu dálkových světel a nepřijatelně vysoké prahové proudy.

Výkonná diodová pole, skládající se z řady širokopásmových diod, jsou schopna produkovat paprsek průměrné kvality s výkonem desítek wattů.

Výkonná 2D diodová pole mohou generovat stovky nebo tisíce wattů energie.

Vysílají lasery vyzařující povrch (VCSEL)vysoce kvalitní paprsek světla o síle několika milwattů kolmých na desku. Na povrch záření jsou rezonátorová zrcadla nanášena ve formě vrstev vlnových délek with s různými indexy lomu. Na jednom krystalu lze vyrobit několik stovek laserů, což otevírá možnost jejich hromadné výroby.

Lasery VECSEL s přívodem optické energie a vnější dutinou jsou schopné generovat paprsek dobré kvality s výkonem několika wattů s režimovým blokováním.

Provoz polovodičového laserutyp kvantové kaskády je založen na přechodech v pásmech (na rozdíl od interbandu). Tato zařízení vyzařují ve střední infračervené oblasti spektra, někdy v terahertzovém rozsahu. Používají se například jako analyzátory plynů.

Polovodičové lasery: aplikace a hlavní aspekty

Vysoce výkonné, elektricky čerpané, vysoce účinné diodové lasery se středním napětím se používají k dodávání energie do vysoce účinných polovodičových laserů.

Polovodičové lasery mohou pracovat ve velkémfrekvenční rozsah, který zahrnuje viditelné, blízké infračervené a střední infračervené části spektra. Byla vytvořena zařízení, která také umožňují měnit frekvenci zveřejňování.

Laserové diody mohou rychle přepínat a modulovat optický výkon, který najde uplatnění ve vysílačích z optických vláken.

Tyto vlastnosti učinily z polovodičových laserů technologicky nejdůležitější typ kvantových generátorů. Používají se:

• v telemetrických senzorech, pyrometrech, optických výškoměrech, dálkoměrech, mířidlech, holografii;
• v systémech s optickými vlákny pro optický přenos a ukládání dat koherentní komunikační systémy;
• v laserových tiskárnách, videoprojektorech, ukazatelích, čtečkách čárových kódů, skenerech obrázků, CD přehrávačích (DVD, CD, Blu-Ray);
• v bezpečnostních systémech, kvantová kryptografie, automatizace, ukazatele;
• v optické metrologii a spektroskopii;
• v chirurgii, stomatologii, kosmetologii, terapii;
• pro čištění vody, zpracování materiálu, čerpání laserů v pevné fázi, řízení chemických reakcí, v průmyslovém třídění, průmyslové strojírenství, zapalovací systémy, systémy protivzdušné obrany.

Pulzní výstup

Většina polovodičových laserů generujespojitý paprsek. Vzhledem k krátké době zdržení elektronů na úrovni vodivosti nejsou příliš vhodné pro generování pulzů se spínáním Q, ale kvazi-kontinuální režim provozu může významně zvýšit výkon kvantového generátoru. Polovodičové lasery lze navíc použít ke generování ultrakrátkých pulzů s blokováním režimu nebo přepínáním zisku. Průměrný výkon krátkých pulzů je obvykle omezen na několik milliwattů, s výjimkou opticky čerpaných laserů VECSEL, jejichž výkon se měří ve vícewattových pikosekundových pulzech s frekvencí desítek gigahertzů.

Modulace a stabilizace

Výhodou krátkodobého pobytuelektron ve vodivém pásmu je schopnost polovodičových laserů k vysokofrekvenční modulaci, která u laserů VCSEL přesahuje 10 GHz. Toto našlo uplatnění v optickém přenosu dat, spektroskopii a stabilizaci laserem.