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반도체 레이저 : 유형, 장치, 작동 원리, 적용

반도체 레이저는 양자입니다반도체 활성 매체를 기반으로하는 발전기. 자유 대역에서 높은 농도의 전하 캐리어에서 에너지 레벨 사이의 양자 전이 동안 자극 방출에 의해 광 증폭이 생성됩니다.

반도체 레이저 : 작동 원리

정상 상태에서 대부분의 전자는원자가 수준에 있습니다. 광자가 불연속 영역의 에너지를 초과하는 에너지를 공급하면 반도체 전자가 여기 상태에 들어가 금지 영역을 극복하고 자유 영역으로 들어가 아래쪽 가장자리에 집중됩니다. 동시에 원자가 수준에서 형성된 구멍은 위쪽 경계로 올라갑니다. 자유 영역의 전자는 정공과 재결합하여 광자 형태의 갭 에너지와 동일한 에너지를 방출합니다. 재결합은 충분한 에너지 수준을 가진 광자에 의해 강화 될 수 있습니다. 숫자 설명은 페르미 분포 함수에 해당합니다.

장치

반도체 레이저 장치는pn 접합 영역의 전자 및 정공 에너지에 의해 펌핑되는 레이저 다이오드-반도체가 p 형 및 n 형 전도성과 접촉하는 장소입니다. 또한 광 에너지를 공급하는 반도체 레이저와 광자를 흡수하여 빔이 형성되는 반도체 레이저와 밴드 내의 전이를 기반으로 작동하는 양자 캐스케이드 레이저가 있습니다.

구성

반도체 레이저 및 기타 광전자 장치에 사용되는 표준 연결은 다음과 같습니다.

갈륨 비소;
인화 갈륨;
질화 갈륨;
인화 인듐;
인듐 갈륨 비소;
갈륨 알루미늄 비소;
인듐 갈륨 비소 질화물;
갈륨-인듐 인화물.

파장

이 화합물은 직접 갭 반도체입니다.충분한 강도와 효율성을 가진 간접 갭 (실리콘) 빛은 방출되지 않습니다. 다이오드 레이저 방사선의 파장은 특정 화합물의 파단 영역 에너지에 대한 광자 에너지의 근사 정도에 따라 달라집니다. 3 성분 및 4 성분 반도체 화합물에서 갭 영역의 에너지는 광범위한 범위에 걸쳐 지속적으로 변할 수 있습니다. AlGaAs = Al_{~와 함께}Ga_1-x예를 들어 알루미늄 함량이 증가하면 (x 증가) 파열 영역의 에너지가 증가합니다.

가장 일반적인반도체 레이저는 스펙트럼의 근적외선 부분에서 작동하며 일부는 빨간색 (갈륨-인화 인듐), 파란색 또는 보라색 (질화 갈륨) 색상을 방출합니다. 중 적외선은 반도체 레이저 (납 셀레 나이드)와 양자 캐스케이드 레이저에 의해 생성됩니다.

유기 반도체

앞서 언급 한 무기 화합물 외에도유기농도 사용할 수 있습니다. 해당 기술은 아직 개발 중이지만 개발을 통해 양자 발생기 제조 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 지금까지 광학 에너지를 공급하는 유기 레이저 만 개발되었으며 고효율 전기 펌핑은 아직 달성되지 않았습니다.

품종

매개 변수와 적용 가치가 다른 많은 반도체 레이저가 만들어졌습니다.

소형 레이저 다이오드는 품질을 생산합니다.전력 범위가 수백 밀리 와트에 이르는 에지 방사선 빔. 레이저 다이오드 크리스탈은 방사가 작은 공간에 의해 제한되기 때문에 도파관 역할을하는 얇은 직사각형 판입니다. 결정은 양쪽에 도핑되어 큰 pn 접합을 생성합니다. 연마 된 끝은 광학 Fabry-Perot 공진기를 생성합니다. 공진기를 통과하는 광자는 재결합을 일으키고 방사선이 증가하고 생성이 시작됩니다. 레이저 포인터, CD 및 DVD 플레이어, 광섬유 통신에 사용됩니다.

짧은 펄스를 생성하기위한 외부 공동이있는 저전력 모 놀리 식 레이저 및 양자 발생기는 모드 잠금을 생성 할 수 있습니다.

외부 공진기가있는 반도체 레이저더 큰 레이저 캐비티에서 증폭 매체의 역할을하는 레이저 다이오드로 구성됩니다. 파장을 변경할 수 있으며 방출 대역이 좁습니다.

사출 반도체 레이저는광대역 형태의 방사선 영역은 몇 와트의 전력으로 저품질 빔을 생성 할 수 있습니다. 이들은 p 층과 n 층 사이에 위치한 얇은 활성층으로 구성되어 이중 이종 접합을 형성합니다. 측면 방향으로 빛을 가두는 메커니즘이 없기 때문에 높은 빔 타원 성과 허용 할 수없는 높은 임계 전류가 발생합니다.

광대역 다이오드 어레이로 구성된 강력한 다이오드 어레이는 수십 와트의 전력으로 평범한 품질의 빔을 생성 할 수 있습니다.

강력한 2D 다이오드 어레이는 수백 또는 수천 와트의 전력을 생성 할 수 있습니다.

표면 방출 레이저 (VCSEL)가 방출합니다.플레이트에 수직 인 수 밀리 와트의 파워를 가진 고품질 광선. 방사선의 표면에는 굴절률이 다른 ¼ 파장의 층 형태로 공진기 거울이 적용됩니다. 하나의 크리스탈에서 수백 개의 레이저를 제조 할 수 있으므로 대량 생산의 가능성이 열립니다.

광학 에너지 공급 장치와 외부 캐비티가있는 VECSEL 레이저는 모드 잠금을 사용하여 수 와트의 출력으로 양질의 빔을 생성 할 수 있습니다.

반도체 레이저 작동양자 캐스케이드 유형은 대역 간 전환이 아닌 대역 내 전환을 기반으로합니다. 이러한 장치는 스펙트럼의 중간 적외선 영역, 때로는 테라 헤르츠 범위에서 방출됩니다. 예를 들어 가스 분석기로 사용됩니다.

반도체 레이저 : 응용 및 주요 측면

고효율 고체 레이저에 에너지를 공급하는 수단으로 중간 전압에서 고효율 전기 펌핑이 가능한 강력한 다이오드 레이저가 사용됩니다.

반도체 레이저는 대규모로 작동 할 수 있습니다.스펙트럼의 가시적, 근적외선 및 중 적외선 부분을 포함하는 주파수 범위. 게시 빈도를 변경할 수도있는 장치가 만들어졌습니다.

레이저 다이오드는 광 출력을 빠르게 전환하고 변조 할 수 있으므로 광섬유 송신기에 적용됩니다.

이러한 특성으로 인해 반도체 레이저는 기술적으로 가장 중요한 유형의 양자 발생기입니다. 적용됩니다.

원격 측정 센서, 고온계, 광학 고도계, 거리계, 광경, 홀로그래피;
광 전송 및 데이터 저장을위한 광섬유 시스템, 일관된 통신 시스템;
레이저 프린터, 비디오 프로젝터, 포인터, 바코드 스캐너, 이미지 스캐너, CD 플레이어 (DVD, CD, Blu-Ray);
보안 시스템, 양자 암호화, 자동화, 지표;
광학 계측 및 분광학;
수술, 치과, 미용, 치료;
정수, 재료 가공, 고체 레이저 펌핑, 화학 반응 제어, 산업 분류, 산업 기계 공학, 점화 시스템, 방공 시스템.

펄스 출력

대부분의 반도체 레이저는연속 빔. 전도도 수준에서 전자의 체류 시간이 짧기 때문에 Q 스위칭으로 펄스를 생성하는 데 적합하지 않지만 준 연속 작동 모드는 양자 발생기의 전력을 크게 증가시킬 수 있습니다. 또한 반도체 레이저를 사용하여 모드 잠금 또는 이득 전환을 통해 초단파 펄스를 생성 할 수 있습니다. 짧은 펄스의 평균 출력은 일반적으로 수 밀리 와트로 제한됩니다. 단, 광학적으로 펌핑 된 VECSEL 레이저는 예외이며, 그 출력은 수십 기가 헤르츠의 주파수를 가진 멀티 와트 피코 초 펄스로 측정됩니다.