Halvlederlasere: typer, enhed, funktionsprincip, anvendelse

Halvlederlasere er kvantegeneratorer baseret på et halvlederaktivt medium, hvor optisk forstærkning skabes ved stimuleret emission under en kvanteovergang mellem energiniveauer ved en høj koncentration af ladningsbærere i det frie bånd.

Semiconductor laser: hvordan det fungerer

I normal tilstand, de fleste elektronerplaceret på valensniveau. Når fotoner leverer energi, der overstiger energien i diskontinuitetszonen, går halvlederelektronerne ind i excitationstilstanden og når de har overvundet den forbudte zone, passerer de ind i den frie zone og koncentrerer sig ved dens nedre kant. Samtidig stiger huller dannet på valensniveau til dets øvre grænse. Elektronerne i den frie zone rekombineres med huller og udsender energi svarende til energien i diskontinuitetszonen i form af fotoner. Rekombination kan forbedres med fotoner med tilstrækkelige energiniveauer. Den numeriske beskrivelse svarer til Fermi-fordelingsfunktionen.

enhed

Halvlederlaserenheden repræsentererer en laserdiode, pumpet af energien fra elektroner og huller i pn-junction-zonen - stedet for kontakt af halvledere med p- og n-ledningsevne. Derudover er der halvlederlasere med optisk energiforsyning, hvor strålen dannes ved at absorbere lysfotoner såvel som kvantekaskadelasere, hvis operation er baseret på overgange inden for båndene.

struktur

Standardforbindelserne i både halvlederlasere og andre optoelektroniske enheder er som følger:

• galliumarsenid;
• galliumphosphid;
• galliumnitrid;
• indiumphosphid;
• indium galliumarsenid;
• galliumaluminiumarsenid;
• indium galliumarsenidnitrid;
• gallium-indiumphosphid.

Bølgelængde

Disse forbindelser er halvledere med direkte mellemrum.Indirekte mellemrum (silicium) lys med tilstrækkelig styrke og effektivitet udsender ikke. Bølgelængden af ​​diodelaserstrålingen afhænger af graden af ​​tilnærmelse af fotonergien til energien i brudzonen for en bestemt forbindelse. I 3- og 4-komponent halvlederforbindelser kan energien i mellemrumszonen kontinuerligt varieres over et bredt område. AlGaAs = Al_medGa_1-xSom for eksempel en stigning i aluminiumindholdet (en stigning i x) resulterer i en stigning i energien i brudzonen.

Mens den mest almindeligeHalvlederlasere arbejder i den næsten IR-del af spektret, nogle udsender røde (gallium-indiumphosphid), blå eller violette (galliumnitrid) farver. Mid-infrarød stråling produceres af halvlederlasere (bly-selenid) og kvante-kaskadelasere.

Organiske halvledere

Ud over de førnævnte uorganiske forbindelser,organisk kan også bruges. Den tilsvarende teknologi er stadig under udvikling, men dens udvikling lover at reducere omkostningerne ved fremstilling af kvantegeneratorer betydeligt. Indtil videre er kun organiske lasere med optisk energiforsyning blevet udviklet, og højeffektiv elektrisk pumpning er endnu ikke opnået.

arter

Der er oprettet mange halvlederlasere, der adskiller sig i parametre og anvendt værdi.

Små laserdioder producerer kvaliteten stråle af kantstråling, hvis kraft spænder fra flere til fem hundrede milliwatt. En laserdiodekrystal er en tynd rektangulær plade, der fungerer som en bølgeleder, da strålingen er begrænset af et lille rum. Krystallen doteres på begge sider for at skabe et stort PN-kryds. De polerede ender skaber en optisk Fabry-Perot-resonator. En foton, der passerer gennem resonatoren, vil forårsage rekombination, strålingen øges, og generationen begynder. Anvendes i laserpekere, CD- og DVD-afspillere og fiberoptisk kommunikation.

Monolitiske lasere med lav effekt og kvantegeneratorer med et eksternt hulrum til generering af korte impulser kan producere tilstandslåsning.

Halvlederlasere med ekstern resonatorbestår af en laserdiode, der spiller rollen som et forstærkende medium i et større laserhulrum. De er i stand til at ændre bølgelængder og har et smalt emissionsbånd.

Injektions halvlederlasere harstrålingsområdet i form af et bredt bånd kan generere en stråle af lav kvalitet med en effekt på flere watt. De består af et tyndt aktivt lag placeret mellem p- og n-lagene og danner et dobbelt heterojunktion. Mekanismen for lysindeslutning i lateral retning er fraværende, hvilket resulterer i fjernlys ellipticitet og uacceptabelt høje tærskelstrømme.

Kraftige diode-arrays, der består af en række bredbåndsdioder, er i stand til at producere en stråle af middelmådig kvalitet med en effekt på snesevis af watt.

Kraftige 2D-diodearrays kan generere hundreder eller tusinder af watt.

Overflademitterende lasere (VCSEL'er) udsenderen lysstråle af høj kvalitet med en effekt på flere milliwatt vinkelret på pladen. På overfladen af ​​strålingen påføres resonatorspejle i form af lag i ¼ bølgelængder med forskellige brydningsindeks. Flere hundrede lasere kan fremstilles på en krystal, hvilket åbner muligheden for deres masseproduktion.

VECSEL-lasere med en optisk energiforsyning og et eksternt hulrum er i stand til at generere en stråle af god kvalitet med en effekt på flere watt med tilstandslåsning.

Halvlederlaserdriftkvantakaskadetype er baseret på overgange inden for bånd (i modsætning til interbånd). Disse enheder udsender i midten af ​​det infrarøde område af spektret, undertiden i terahertz-området. De bruges for eksempel som gasanalysatorer.

Halvlederlasere: anvendelse og hovedaspekter

Højeffektiv, elektrisk pumpet, højeffektiv diodelaser ved moderat spænding bruges til at levere energi til højeffektive solid state-lasere.

Halvlederlasere kan fungere stortet frekvensområde, der inkluderer de synlige, nær infrarøde og midterste infrarøde dele af spektret. Der er oprettet enheder, der også gør det muligt at ændre udgivelsesfrekvensen.

Laserdioder kan hurtigt skifte og modulere optisk effekt, som finder anvendelse i fiberoptiske sendere.

Disse egenskaber har gjort halvlederlasere teknologisk til den vigtigste type kvantegeneratorer. De anvendes:

• i telemetri sensorer, pyrometre, optiske højdemålere, afstandsmålere, seværdigheder, holografi;
• i fiberoptiske systemer til optisk transmission og datalagring, sammenhængende kommunikationssystemer;
• i laserprintere, videoprojektorer, markører, stregkodescannere, billedscannere, CD-afspillere (DVD, CD, Blu-Ray);
• i sikkerhedssystemer, kvantekryptografi, automatisering, indikatorer;
• i optisk metrologi og spektroskopi;
• inden for kirurgi, tandpleje, kosmetologi, terapi;
• til vandrensning, materialebehandling, pumpning af faststoflasere, kontrol af kemiske reaktioner, inden for industriel sortering, industriel maskinteknik, tændingssystemer, luftforsvarssystemer.

Impulsudgang

De fleste halvlederlasere generererkontinuerlig stråle. På grund af elektronernes korte opholdstid på ledningsevneniveau er de ikke særlig velegnede til at generere Q-switchede impulser, men den kvasikontinuerlige driftsform kan øge kvantegeneratorens effekt betydeligt. Derudover kan halvlederlasere bruges til at generere ultrakortpulser med tilstandslåsning eller forstærkning. Den gennemsnitlige effekt af korte impulser er normalt begrænset til et par milliwatt, med undtagelse af optisk pumpede VECSEL-lasere, hvis output måles i multi-watt picosekundpulser med en frekvens på snesevis af gigahertz.

Modulation og stabilisering

Fordelen ved et kort opholdelektron i ledningsbåndet er halvlederlasers evne til højfrekvent modulering, som i VCSEL-lasere overstiger 10 GHz. Dette har fundet anvendelse i optisk datatransmission, spektroskopi og laserstabilisering.