सेमीकंडक्टर लेजर: प्रकार, डिवाइस, ऑपरेशन का सिद्धांत, अनुप्रयोग

सेमीकंडक्टर लेजर क्वांटम हैंएक सेमीकंडक्टर सक्रिय माध्यम पर आधारित जनरेटर, जिसमें मुक्त बैंड में उच्च वाहक आवेश वाहकों में ऊर्जा स्तरों के बीच एक क्वांटम संक्रमण के दौरान उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा ऑप्टिकल प्रवर्धन बनाया जाता है।

अर्धचालक लेजर: यह कैसे काम करता है

सामान्य अवस्था में, अधिकांश इलेक्ट्रॉनघाटी स्तर पर स्थित है। जब फोटोन डिसकंटिन्यू ज़ोन की ऊर्जा से अधिक ऊर्जा की आपूर्ति करते हैं, तो अर्धचालक इलेक्ट्रॉन उत्तेजना की स्थिति में प्रवेश करते हैं और, निषिद्ध क्षेत्र को पार करते हुए, मुक्त क्षेत्र में गुजरते हैं, इसके निचले किनारे पर ध्यान केंद्रित करते हैं। इसी समय, घाटी के स्तर पर बने छेद इसकी ऊपरी सीमा तक बढ़ जाते हैं। मुक्त क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों छेद के साथ पुनर्संयोजन, फोटॉनों के रूप में अंतराल की ऊर्जा के बराबर ऊर्जा उत्सर्जित करते हैं। पर्याप्त ऊर्जा स्तरों के साथ फोटॉनों द्वारा पुनर्संयोजन को बढ़ाया जा सकता है। संख्यात्मक विवरण Fermi वितरण फ़ंक्शन से मेल खाता है।

युक्ति

अर्धचालक लेजर डिवाइस का प्रतिनिधित्व करता हैएक लेजर डायोड है जिसे पीएन-जंक्शन क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की ऊर्जा से पंप किया जाता है - पी- और एन-टाइप चालकता के साथ अर्धचालक के संपर्क का स्थान। इसके अलावा, ऑप्टिकल ऊर्जा आपूर्ति के साथ सेमीकंडक्टर लेज़र हैं, जिसमें प्रकाश फोटॉनों को अवशोषित करने के साथ बीम का निर्माण होता है, साथ ही क्वांटम कैस्केड लेजर भी होता है, जिसका संचालन बैंड के भीतर संक्रमण पर आधारित होता है।

संरचना

सेमीकंडक्टर लेजर और अन्य ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक उपकरणों दोनों में उपयोग किए जाने वाले मानक कनेक्शन निम्नानुसार हैं:

• गैलियम आर्सेनाइड;
• गैलियम फास्फाइड;
• गैलियम नाइट्राइड;
• इंडियम फॉस्फाइड;
• इंडियम गैलियम आर्सेनाइड;
• गैलियम एल्यूमीनियम आर्सेनाइड;
• इंडियम गैलियम आर्सेनाइड नाइट्राइड;
• गैलियम-इंडियम फॉस्फाइड।

वेवलेंथ

ये यौगिक प्रत्यक्ष अंतराल अर्धचालक हैं।पर्याप्त शक्ति और दक्षता के साथ अप्रत्यक्ष-अंतर (सिलिकॉन) प्रकाश उत्सर्जित नहीं करता है। डायोड लेजर विकिरण की तरंग दैर्ध्य, किसी विशेष परिसर के ब्रेक ज़ोन की ऊर्जा के लिए फोटॉन ऊर्जा के अनुमान की डिग्री पर निर्भर करती है। 3- और 4-घटक अर्धचालक यौगिकों में, अंतराल क्षेत्र की ऊर्जा एक विस्तृत श्रृंखला में लगातार विविध हो सकती है। अलगाएस = अल_साथगा_{1 एक्स}उदाहरण के लिए, एल्यूमीनियम सामग्री में वृद्धि (एक्स में वृद्धि) के परिणामस्वरूप टूटना क्षेत्र की ऊर्जा में वृद्धि होती है।

जबकि सबसे आम हैसेमीकंडक्टर लेजर स्पेक्ट्रम के निकट-आईआर भाग में काम करते हैं, कुछ लाल (गैलियम-इंडियम फास्फाइड), नीले या बैंगनी (गैलियम नाइट्राइड) रंगों का उत्सर्जन करते हैं। मध्य-अवरक्त विकिरण अर्धचालक लेजर (लीड सेलेनाइड) और क्वांटम कैस्केड लेजर द्वारा निर्मित होता है।

कार्बनिक अर्धचालक

उपरोक्त अकार्बनिक यौगिकों के अलावा,जैविक का भी उपयोग किया जा सकता है। इसी तकनीक अभी भी विकास के अधीन है, लेकिन इसके विकास ने क्वांटम जनरेटर के निर्माण की लागत को काफी कम करने का वादा किया है। अब तक, ऑप्टिकल ऊर्जा आपूर्ति के साथ केवल जैविक लेजर विकसित किए गए हैं, और अत्यधिक कुशल इलेक्ट्रिक पंपिंग अभी तक हासिल नहीं की गई है।

जाति

कई अर्धचालक लेज़रों का निर्माण किया गया है, जो मापदंडों और लागू मूल्य में भिन्न हैं।

छोटे लेजर डायोड गुणवत्ता का उत्पादन करते हैंएज रेडिएशन की किरण, जिसकी शक्ति कई सौ से पांच सौ मिली तक होती है। एक लेज़र डायोड क्रिस्टल एक पतली आयताकार प्लेट होती है जो एक वेवगाइड के रूप में कार्य करती है, क्योंकि विकिरण एक छोटे से स्थान द्वारा सीमित होता है। एक बड़ा पी.एन. जंक्शन बनाने के लिए दोनों तरफ क्रिस्टल को डोप किया जाता है। पॉलिश किए गए सिरे एक ऑप्टिकल फैब्री-पेरोट गुंजयमान यंत्र बनाते हैं। अनुनाद से गुजरने वाला एक फोटॉन पुनर्संयोजन का कारण बनेगा, विकिरण बढ़ेगा, और पीढ़ी शुरू होगी। लेजर पॉइंटर्स, सीडी और डीवीडी प्लेयर और फाइबर ऑप्टिक संचार में उपयोग किया जाता है।

कम दालों के उत्पादन के लिए बाहरी गुहा के साथ कम-शक्ति अखंड लेजर और क्वांटम जनरेटर मोड लॉकिंग का उत्पादन कर सकते हैं।

बाहरी गुंजयमान यंत्र के साथ अर्धचालक लेजरएक लेजर डायोड से मिलकर, जो एक बड़े लेजर गुहा में एक प्रवर्धक माध्यम की भूमिका निभाता है। वे तरंग दैर्ध्य को बदलने में सक्षम हैं और एक संकीर्ण उत्सर्जन बैंड है।

इंजेक्शन अर्धचालक लेजर हैएक विस्तृत बैंड के रूप में विकिरण का क्षेत्र, कई वाटों की शक्ति के साथ एक कम गुणवत्ता वाला बीम उत्पन्न कर सकता है। वे p- और n- लेयर्स के बीच स्थित एक पतली सक्रिय परत से मिलकर होते हैं, जिससे डबल हेटेरोजंक्शन होता है। पार्श्व दिशा में प्रकाश कारावास का तंत्र अनुपस्थित है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च बीम अण्डाकारता और अस्वीकार्य रूप से उच्च सीमा धाराएं हैं।

शक्तिशाली डायोड सरणियों, जिसमें ब्रॉडबैंड डायोड की एक सरणी होती है, दसियों वाट की शक्ति के साथ औसत दर्जे की गुणवत्ता का उत्पादन करने में सक्षम होते हैं।

शक्तिशाली 2 डी डायोड सरणियों से सैकड़ों या हजारों वाट बिजली पैदा हो सकती है।

सतह उत्सर्जक लेजर (VCSELs) उत्सर्जित करते हैंप्लेट में लंबवत कई मिलिवाट की शक्ति के साथ प्रकाश की एक उच्च गुणवत्ता वाली बीम। विकिरण की सतह पर, विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ ator तरंग दैर्ध्य में परतों के रूप में गुंजयमान दर्पण लगाए जाते हैं। एक क्रिस्टल पर कई सौ लेज़रों का निर्माण किया जा सकता है, जो उनके बड़े पैमाने पर उत्पादन की संभावना को खोलता है।

ऑप्टिकल ऊर्जा आपूर्ति और बाहरी गुहा के साथ VECSEL लेज़र मोड लॉकिंग के साथ कई वाट की शक्ति के साथ अच्छी गुणवत्ता की किरण पैदा करने में सक्षम हैं।

अर्धचालक लेजर ऑपरेशनक्वांटम कैस्केड प्रकार बैंड के भीतर संक्रमण पर आधारित है (जैसा कि इंटरबैंड के विपरीत)। ये उपकरण स्पेक्ट्रम के मध्य-अवरक्त क्षेत्र में, कभी-कभी टेराहर्ट्ज़ श्रेणी में निकलते हैं। उनका उपयोग, उदाहरण के लिए, गैस विश्लेषक के रूप में किया जाता है।

सेमीकंडक्टर लेजर: आवेदन और मुख्य पहलू

मध्यम वोल्टेज पर अत्यधिक कुशल विद्युत पम्पिंग के साथ शक्तिशाली डायोड लेज़रों का उपयोग उच्च दक्षता वाले ठोस-स्टेट लेज़रों में ऊर्जा की आपूर्ति के साधन के रूप में किया जाता है।

सेमीकंडक्टर लेजर बड़े में काम कर सकता हैएक आवृत्ति रेंज जिसमें स्पेक्ट्रम के दृश्यमान, निकट-अवरक्त और मध्य-अवरक्त भाग शामिल हैं। डिवाइस बनाए गए हैं जो प्रकाशन की आवृत्ति को बदलना भी संभव बनाते हैं।

लेजर डायोड ऑप्टिकल पावर को जल्दी से स्विच और मॉड्यूलेट कर सकता है, जो फाइबर ऑप्टिक ट्रांसमीटर में एप्लिकेशन ढूंढता है।

इन विशेषताओं ने अर्धचालक लेजर को तकनीकी रूप से सबसे महत्वपूर्ण प्रकार के क्वांटम जनरेटर बना दिया है। उन्हें लागू किया जाता है:

• टेलीमेट्री सेंसर, पाइरोमीटर, ऑप्टिकल अल्टीमीटर, रेंजफाइंडर, जगहें, होलोग्राफी में;
• ऑप्टिकल ट्रांसमिशन और डेटा भंडारण, सुसंगत संचार प्रणालियों के लिए फाइबर-ऑप्टिक सिस्टम में;
• लेजर प्रिंटर, वीडियो प्रोजेक्टर, पॉइंटर्स, बारकोड स्कैनर, इमेज स्कैनर, सीडी प्लेयर (डीवीडी, सीडी, ब्लू-रे) में;
• सुरक्षा प्रणालियों में, क्वांटम क्रिप्टोग्राफी, स्वचालन, संकेतक;
• ऑप्टिकल मेट्रोलॉजी और स्पेक्ट्रोस्कोपी में;
• सर्जरी, दंत चिकित्सा, कॉस्मेटोलॉजी, थेरेपी में;
• औद्योगिक शोधन, औद्योगिक यांत्रिक अभियांत्रिकी, इग्निशन सिस्टम, वायु रक्षा प्रणालियों में जल शोधन, सामग्री प्रसंस्करण, ठोस राज्य पराबैंगनीकिरण का नियंत्रण, रासायनिक प्रतिक्रियाओं का नियंत्रण।

पल्स आउटपुट

अधिकांश अर्धचालक लेजर उत्पन्न करते हैंनिरंतर किरण। चालकता स्तर पर इलेक्ट्रॉनों के कम निवास समय के कारण, वे क्यू स्विचिंग के साथ दालों को उत्पन्न करने के लिए बहुत उपयुक्त नहीं हैं, लेकिन ऑपरेशन के अर्ध-निरंतर मोड क्वांटम जनरेटर की शक्ति में काफी वृद्धि कर सकते हैं। इसके अलावा, सेमीकंडक्टर लेजर का उपयोग मोड लॉकिंग या स्विचिंग प्राप्त करने के साथ अल्ट्राशोर्ट दालों को उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। लघु दालों की औसत शक्ति आमतौर पर कुछ मिलीवाट तक सीमित होती है, वैकल्पिक रूप से पंप किए गए VECSEL लेज़रों के अपवाद के साथ, जिनमें से आउटपुट को मल्टी-वाट पिकोसैकेड दालों में गिगाहर्ट्ज़ की दसियों की आवृत्ति के साथ मापा जाता है।

मॉड्यूलेशन और स्थिरीकरण

अल्प प्रवास का लाभचालन बैंड में इलेक्ट्रॉन अर्धचालक लेज़रों की उच्च-आवृत्ति मॉड्यूलेशन की क्षमता है, जो VCSEL लेज़रों में 10 हर्ट्ज से अधिक है। यह ऑप्टिकल डेटा ट्रांसमिशन, स्पेक्ट्रोस्कोपी, और लेजर स्थिरीकरण में आवेदन मिला है।