Lasers semicondutores são quânticosgeradores baseados em um meio semicondutor ativo, no qual a amplificação óptica é criada por emissão estimulada durante uma transição quântica entre níveis de energia em uma alta concentração de portadores de carga na banda livre.
Laser semicondutor: como funciona
No estado normal, a maioria dos elétronslocalizado ao nível de valência. Quando os fótons fornecem energia que excede a energia da zona de descontinuidade, os elétrons do semicondutor entram no estado de excitação e, tendo superado a zona proibida, passam para a zona livre, concentrando-se em sua borda inferior. Ao mesmo tempo, os buracos formados no nível de valência atingem seu limite superior. Os elétrons da zona livre se recombinam com buracos, emitindo energia igual à energia da zona de descontinuidade na forma de fótons. A recombinação pode ser aumentada por fótons com níveis de energia suficientes. A descrição numérica corresponde à função de distribuição de Fermi.
Dispositivo
O dispositivo a laser semicondutor representaé um diodo laser, bombeado pela energia dos elétrons e orifícios na zona de junção pn - o local de contato de semicondutores com condutividade do tipo p e n. Além disso, existem lasers semicondutores com fornecimento de energia óptica, em que o feixe é formado pela absorção de fótons de luz, bem como lasers em cascata quântica, cujo funcionamento se baseia em transições dentro das bandas.
Composição
As conexões padrão usadas em ambos os lasers semicondutores e outros dispositivos optoeletrônicos são as seguintes:
- arsenieto de gálio;
- fosfeto de gálio;
- nitreto de gálio;
- fosfeto de índio;
- arseneto de gálio e índio;
- arsenieto de gálio e alumínio;
- arseneto de gálio e índio;
- fosforeto de gálio-índio.
Comprimento de onda
Esses compostos são semicondutores de gap direto.Não emite luz de lacuna indireta (silício) com força e eficiência suficientes. O comprimento de onda da radiação de laser de diodo depende do grau de aproximação da energia do fóton à energia da zona de quebra de um composto particular. Em compostos semicondutores de 3 e 4 componentes, a energia da zona de lacuna pode ser continuamente variada em uma ampla faixa. AlGaAs = AlcomGa1-xComo, por exemplo, um aumento no teor de alumínio (um aumento em x) resulta em um aumento na energia da zona de ruptura.
Embora o mais comumOs lasers semicondutores funcionam na parte infravermelha próxima do espectro, alguns emitem cores vermelhas (fosfeto de gálio-índio), azul ou violeta (nitreto de gálio). A radiação infravermelha média é produzida por lasers semicondutores (seleneto de chumbo) e lasers em cascata quântica.
Semicondutores orgânicos
Além dos compostos inorgânicos mencionados acima,orgânico também pode ser usado. A tecnologia correspondente ainda está em desenvolvimento, mas seu desenvolvimento promete reduzir significativamente o custo de fabricação de geradores quânticos. Até agora, apenas lasers orgânicos com fornecimento de energia óptica foram desenvolvidos e o bombeamento elétrico de alta eficiência ainda não foi alcançado.
Variedades
Muitos lasers semicondutores foram criados, diferindo em parâmetros e valor aplicado.
Pequenos diodos de laser produzem qualidadeum feixe de radiação de borda, cuja potência varia de vários a quinhentos miliwatts. Um cristal de diodo laser é uma placa retangular fina que serve como um guia de onda, uma vez que a radiação é limitada por um pequeno espaço. O cristal é dopado em ambos os lados para criar uma grande junção pn. As extremidades polidas criam um ressonador Fabry-Perot óptico. Um fóton passando pelo ressonador causará recombinação, a radiação aumentará e a geração começará. Usado em ponteiros laser, leitores de CD e DVD e comunicações de fibra óptica.
Lasers monolíticos de baixa potência e geradores quânticos com uma cavidade externa para gerar pulsos curtos podem produzir bloqueio de modo.
Lasers semicondutores com ressonador externoconsistem em um diodo de laser, que desempenha o papel de um meio amplificador em uma cavidade de laser maior. Eles são capazes de alterar os comprimentos de onda e têm uma banda de emissão estreita.
Lasers de semicondutores de injeção têma região de radiação na forma de banda larga, pode gerar um feixe de baixa qualidade com uma potência de vários watts. Eles consistem em uma fina camada ativa localizada entre as camadas p e n, formando uma dupla heterojunção. O mecanismo de confinamento da luz na direção lateral está ausente, o que resulta em elipticidade do feixe alto e correntes de limiar inaceitavelmente altas.
Poderosas matrizes de diodos, consistindo em uma série de diodos de banda larga, são capazes de produzir um feixe de qualidade medíocre com uma potência de dezenas de watts.
Os poderosos arranjos de diodos 2D podem gerar centenas ou milhares de watts de potência.
Lasers emissores de superfície (VCSELs) emitemum feixe de luz de alta qualidade com uma potência de vários miliwatts perpendicular à placa. Na superfície da radiação, espelhos ressonadores são aplicados na forma de camadas em ¼ de comprimento de onda com diferentes índices de refração. Várias centenas de lasers podem ser fabricados em um cristal, o que abre a possibilidade de sua produção em massa.
Os lasers VECSEL com alimentação de energia óptica e cavidade externa são capazes de gerar um feixe de boa qualidade com potência de vários watts com modo de bloqueio.
Operação de laser semicondutoro tipo de cascata quântica é baseado em transições dentro de bandas (em oposição a interband). Esses dispositivos emitem na região do infravermelho médio do espectro, às vezes na faixa de terahertz. Eles são usados, por exemplo, como analisadores de gás.
Lasers semicondutores: aplicação e principais aspectos
Lasers de diodo de alta potência, eletricamente bombeados e de alta eficiência em tensões moderadas são usados para fornecer energia a lasers de estado sólido de alta eficiência.
Lasers semicondutores podem operar em grandesuma faixa de frequência que inclui as porções visível, infravermelho próximo e infravermelho médio do espectro. Foram criados dispositivos que também permitem alterar a frequência de publicação.
Os diodos laser podem alternar e modular rapidamente a potência óptica, que encontra aplicação em transmissores de fibra óptica.
Essas características tornaram os lasers semicondutores tecnologicamente o tipo mais importante de geradores quânticos. Eles são aplicados:
- em sensores de telemetria, pirômetros, altímetros ópticos, telêmetros, miras, holografia;
- em sistemas de fibra óptica para transmissão óptica e armazenamento de dados, sistemas de comunicação coerentes;
- em impressoras a laser, projetores de vídeo, ponteiros, leitores de código de barras, leitores de imagens, CD players (DVD, CD, Blu-Ray);
- em sistemas de segurança, criptografia quântica, automação, indicadores;
- em metrologia óptica e espectroscopia;
- em cirurgia, odontologia, cosmetologia, terapia;
- para purificação de água, processamento de materiais, bombeamento de lasers de estado sólido, controle de reações químicas, em classificação industrial, engenharia mecânica industrial, sistemas de ignição, sistemas de defesa aérea.
Saída de pulso
A maioria dos lasers semicondutores geramfeixe contínuo. Devido ao curto tempo de residência dos elétrons no nível de condutividade, eles não são muito adequados para gerar pulsos Q comutados, mas o modo quase contínuo de operação pode aumentar significativamente a potência do gerador quântico. Além disso, os lasers semicondutores podem ser usados para gerar pulsos ultracurtos com bloqueio de modo ou comutação de ganho. A potência média dos pulsos curtos é geralmente limitada a alguns miliwatts, com exceção dos lasers VECSEL com bombeamento ótico, cuja saída é medida em pulsos de picossegundos de vários watts com uma frequência de dezenas de gigahertz.
Modulação e estabilização
A vantagem de uma estadia curtaelétron na banda de condução é a capacidade dos lasers semicondutores para a modulação de alta frequência, que nos lasers VCSEL ultrapassa 10 GHz. Isso encontrou aplicação na transmissão ótica de dados, espectroscopia e estabilização a laser.
