Lasery półprzewodnikowe są kwantowegeneratory oparte na półprzewodnikowym ośrodku aktywnym, w których wzmocnienie optyczne powstaje w wyniku emisji wymuszonej podczas kwantowego przejścia między poziomami energii przy dużym stężeniu nośników ładunku w paśmie swobodnym.
Laser półprzewodnikowy: jak to działa
W stanie normalnym większość elektronówznajduje się na poziomie walencyjnym. Gdy fotony dostarczają energię przekraczającą energię strefy nieciągłości, elektrony półprzewodnika wchodzą w stan wzbudzenia i po pokonaniu strefy zabronionej przechodzą do strefy wolnej, koncentrując się na jej dolnej krawędzi. Jednocześnie dziury powstałe na poziomie walencyjnym wznoszą się do jego górnej granicy. Elektrony w wolnej strefie rekombinują z dziurami, emitując energię równą energii strefy nieciągłości w postaci fotonów. Rekombinację można wzmocnić fotonami o wystarczającym poziomie energii. Opis liczbowy odpowiada funkcji rozkładu Fermiego.
Urządzenie
Półprzewodnikowe urządzenie laserowe reprezentujejest diodą laserową pompowaną energią elektronów i dziur w strefie złącza pn - miejscu styku półprzewodników o przewodności typu p i n. Ponadto istnieją lasery półprzewodnikowe z doprowadzeniem energii optycznej, w których wiązka formowana jest przez pochłanianie fotonów światła, a także kwantowe lasery kaskadowe, których działanie opiera się na przejściach w pasmach.
Skład
Standardowe połączenia stosowane zarówno w laserach półprzewodnikowych, jak i innych urządzeniach optoelektronicznych są następujące:
- arsenku galu;
- fosforek galu;
- azotek galu;
- fosforek indu;
- arsenek indu galu;
- arsenek galu i glinu;
- arsenek indu galu;
- fosforek galu i indu.
Długość fali
Związki te są półprzewodnikami o bezpośredniej przerwie.Światło pośrednie (krzemowe) o wystarczającej sile i wydajności nie emituje. Długość fali promieniowania lasera diodowego zależy od stopnia zbliżenia energii fotonu do energii strefy przerwania danego związku. W 3- i 4-składnikowych związkach półprzewodnikowych energia strefy szczeliny może zmieniać się w sposób ciągły w szerokim zakresie. AlGaAs = AlzGa1-xPonieważ na przykład wzrost zawartości glinu (wzrost x) powoduje wzrost energii strefy pęknięcia.
Chociaż najczęściejLasery półprzewodnikowe pracują w zakresie bliskiej podczerwieni, niektóre emitują barwę czerwoną (fosforek galu-indu), niebieską lub fioletową (azotek galu). Promieniowanie średniej podczerwieni jest wytwarzane przez lasery półprzewodnikowe (selenek ołowiu) i kwantowe lasery kaskadowe.
Półprzewodniki organiczne
Oprócz wyżej wymienionych związków nieorganicznych,można również użyć organicznych. Odpowiednia technologia jest wciąż w fazie rozwoju, ale jej opracowanie może znacznie obniżyć koszty produkcji generatorów kwantowych. Do tej pory opracowano jedynie lasery organiczne z dostarczaniem energii optycznej, a wysokowydajne pompowanie elektryczne nie zostało jeszcze osiągnięte.
Odmiany
Powstało wiele laserów półprzewodnikowych różniących się parametrami i stosowaną wartością.
Małe diody laserowe zapewniają jakośćwiązka promieniowania krawędziowego, której moc waha się od kilku do pięciuset miliwatów. Kryształ diody laserowej to cienka prostokątna płytka, która służy jako falowód, ponieważ promieniowanie jest ograniczone niewielką przestrzenią. Kryształ jest domieszkowany po obu stronach, aby utworzyć duże złącze pn. Polerowane końce tworzą optyczny rezonator Fabry'ego - Perota. Foton przechodzący przez rezonator spowoduje rekombinację, promieniowanie wzrośnie i rozpocznie się generacja. Używany we wskaźnikach laserowych, odtwarzaczach CD i DVD oraz komunikacji światłowodowej.
Monolityczne lasery o małej mocy i generatory kwantowe z zewnętrzną wnęką do generowania krótkich impulsów mogą powodować blokowanie modów.
Lasery półprzewodnikowe z rezonatorem zewnętrznymskładają się z diody laserowej, która pełni rolę środka wzmacniającego w większej wnęce laserowej. Są zdolne do zmiany długości fal i mają wąskie pasmo emisji.
Półprzewodnikowe lasery wtryskowe mająobszar promieniowania w postaci szerokiego pasma, może generować wiązkę niskiej jakości o mocy kilku watów. Składają się z cienkiej warstwy aktywnej znajdującej się pomiędzy warstwami p i n, tworząc podwójne heterozłącze. Brak mechanizmu utrzymywania światła w kierunku bocznym, co skutkuje dużą eliptycznością wiązki i niedopuszczalnie wysokimi prądami progowymi.
Potężne matryce diodowe, składające się z szeregu diod szerokopasmowych, są w stanie wytworzyć wiązkę średniej jakości o mocy dziesiątek watów.
Potężne macierze diodowe 2D mogą generować setki lub tysiące watów mocy.
Lasery powierzchniowo emitujące (VCSEL) emitująwysokiej jakości wiązka światła o mocy kilku miliwatów prostopadła do płyty. Na powierzchnię promieniowania nałożone są lustra rezonatorowe w postaci warstw w ¼ długości fali o różnych współczynnikach załamania. Na jednym krysztale można wyprodukować kilkaset laserów, co otwiera możliwość ich masowej produkcji.
Lasery VECSEL z doprowadzeniem energii optycznej i zewnętrzną wnęką są w stanie generować wiązkę dobrej jakości o mocy kilku watów z blokadą modów.
Działanie lasera półprzewodnikowegotyp kaskady kwantowej opiera się na przejściach w pasmach (w przeciwieństwie do międzypasmowych). Urządzenia te emitują w zakresie średniej podczerwieni, czasami w zakresie terahercowym. Wykorzystywane są np. jako analizatory gazów.
Lasery półprzewodnikowe: zastosowanie i główne aspekty
Pompowane elektrycznie, wysokowydajne lasery diodowe o dużej mocy przy umiarkowanych napięciach są wykorzystywane do dostarczania energii do wysokowydajnych laserów na ciele stałym.
Lasery półprzewodnikowe mogą działać w dużychzakres częstotliwości, który obejmuje części widma w zakresie widzialnym, bliskiej podczerwieni i średniej podczerwieni. Stworzono urządzenia, które umożliwiają również zmianę częstotliwości publikacji.
Diody laserowe mogą szybko przełączać i modulować moc optyczną, co znajduje zastosowanie w nadajnikach światłowodowych.
Te cechy sprawiły, że lasery półprzewodnikowe są technologicznie najważniejszym typem generatorów kwantowych. Są stosowane:
- w czujnikach telemetrycznych, pirometrach, wysokościomierzach optycznych, dalmierzach, celownikach, holografii;
- w systemach światłowodowych do transmisji optycznej i przechowywania danych, spójne systemy komunikacji;
- w drukarkach laserowych, projektorach wideo, wskaźnikach, skanerach kodów kreskowych, skanerach obrazu, odtwarzaczach CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- w systemach bezpieczeństwa, kryptografii kwantowej, automatyzacji, wskaźnikach;
- w metrologii optycznej i spektroskopii;
- w chirurgii, stomatologii, kosmetologii, terapii;
- do oczyszczania wody, obróbki materiałów, pompowania laserów na ciele stałym, kontroli reakcji chemicznych, w sortowaniu przemysłowym, inżynierii mechanicznej przemysłowej, systemach zapłonowych, systemach obrony przeciwlotniczej.
Wyjście impulsowe
Większość laserów półprzewodnikowych generujewiązka ciągła. Ze względu na krótki czas przebywania elektronów na poziomie przewodnictwa nie nadają się one zbyt dobrze do generowania impulsów z przełączaniem dobroci, ale quasi-ciągły tryb pracy może znacznie zwiększyć moc generatora kwantowego. Ponadto lasery półprzewodnikowe mogą być używane do generowania ultrakrótkich impulsów z blokowaniem trybu lub przełączaniem wzmocnienia. Średnia moc krótkich impulsów jest zwykle ograniczona do kilku miliwatów, z wyjątkiem pompowanych optycznie laserów VECSEL, których moc mierzona jest w wielowatowych pikosekundowych impulsach o częstotliwości kilkudziesięciu gigaherców.
Modulacja i stabilizacja
Zaleta krótkiego pobytuelektron w paśmie przewodnictwa to zdolność laserów półprzewodnikowych do modulacji wysokiej częstotliwości, która w laserach VCSEL przekracza 10 GHz. Znalazło to zastosowanie w optycznej transmisji danych, spektroskopii i stabilizacji laserowej.
