Halvledarlaser är kvantumgeneratorer baserade på ett halvledaraktivt medium, i vilket optisk förstärkning skapas genom stimulerad emission under en kvantövergång mellan energinivåer vid en hög koncentration av laddningsbärare i det fria bandet.
Halvledarlaser: hur det fungerar
I normalt tillstånd, de flesta elektronerligger på valensnivå. När fotoner levererar energi som överstiger energin i diskontinuitetszonen, går halvledarelektronerna in i excitationstillståndet och, efter att ha övervunnit den förbjudna zonen, passerar de in i den fria zonen och koncentreras vid dess nedre kant. Samtidigt stiger hål som bildas vid valensnivån till dess övre gräns. Elektroner i den fria zonen rekombineras med hål och avger energi lika med energin i gapet i form av fotoner. Rekombination kan förbättras med fotoner med tillräckliga energinivåer. Den numeriska beskrivningen motsvarar Fermis distributionsfunktion.
anordning
Halvledarlaseranordningen representerarär en laserdiod pumpad av energin hos elektroner och hål i pn-korsningszonen - platsen för kontakt av halvledare med ledningsförmåga av p- och n-typ. Dessutom finns det halvledarlaser med optisk energiförsörjning, i vilka strålen bildas genom att absorbera ljusfotoner, liksom kvantkaskadlasrar, vars funktion baseras på övergångar inom banden.
struktur
Standardanslutningarna som används i både halvledarlaser och andra optoelektroniska enheter är följande:
- galliumarsenid;
- galliumfosfid;
- galliumnitrid;
- indiumfosfid;
- indium galliumarsenid;
- galliumaluminiumarsenid;
- indiumgalliumarsenidnitrid;
- gallium-indiumfosfid.
Våglängd
Dessa föreningar är halvledare med direkt gap.Indirekt gap (kisel) ljus med tillräcklig styrka och effektivitet avger inte. Våglängden för diodelaserstrålningen beror på graden av approximation av fotonergin till energin i brytzonen för en viss förening. I 3- och 4-komponent halvledarföreningar kan energin i gapzonen varieras kontinuerligt över ett brett område. AlGaAs = AlmedGa1-xSom exempelvis en ökning av aluminiumhalten (en ökning i x) resulterar i en ökning av energin i bristningszonen.
Medan den vanligasteHalvledarlaser fungerar i den nära IR-delen av spektrumet, vissa avger röda (gallium-indiumfosfid), blå eller violetta (galliumnitrid) färger. Mid-infraröd strålning produceras av halvledarlaser (blyselenid) och kvantkaskadlasrar.
Organiska halvledare
Förutom de ovannämnda oorganiska föreningarna,organisk kan också användas. Motsvarande teknik är fortfarande under utveckling, men dess utveckling lovar att avsevärt minska kostnaderna för tillverkning av kvantgeneratorer. Hittills har endast organiska lasrar med optisk energiförsörjning utvecklats och högeffektiv elektrisk pumpning har ännu inte uppnåtts.
arter
Många halvledarlaser har skapats, olika i parametrar och tillämpat värde.
Små laserdioder ger kvaliteten stråle av kantstrålning, vars kraft sträcker sig från flera till fem hundra milliwatt. En laserdiodkristall är en tunn rektangulär platta som fungerar som en vågledare, eftersom strålningen är begränsad av ett litet utrymme. Kristallen dopas på båda sidor för att skapa en stor PN-korsning. De polerade ändarna skapar en optisk Fabry-Perot-resonator. En foton som passerar genom resonatorn kommer att orsaka rekombination, strålningen ökar och generationen börjar. Används i laserpekare, CD- och DVD-spelare och fiberoptisk kommunikation.
Monolitiska lasrar med låg effekt och kvantgeneratorer med en extern hålighet för att generera korta pulser kan producera lägeslåsning.
Halvledarlaser med extern resonatorbestår av en laserdiod, som spelar rollen som ett förstärkningsmedium i ett större laserkavitet. De kan ändra våglängder och har ett smalt emissionsband.
Injektionshalvledarlaser harstrålningsområdet i form av ett brett band kan generera en stråle av låg kvalitet med en effekt på flera watt. De består av ett tunt aktivt skikt beläget mellan p- och n-skikten och bildar en dubbel heterojunktion. Mekanismen för ljusbegränsning i lateral riktning saknas, vilket resulterar i helljusellipticitet och oacceptabelt höga tröskelströmmar.
Kraftfulla diodmatriser, som består av en rad bredbandsdioder, kan producera en stråle av medelmåttig kvalitet med en effekt på tiotals watt.
Kraftfulla 2D-diodmatriser kan generera hundratals eller tusentals watt.
Ytemitterande lasrar (VCSEL) emitteraren högkvalitativ ljusstråle med en effekt på flera milliwatt vinkelrätt mot plattan. På ytan av strålningen appliceras resonatorspeglar i form av skikt i ¼ våglängder med olika brytningsindex. Flera hundra lasrar kan tillverkas på en kristall, vilket öppnar upp möjligheten för massproduktion.
VECSEL-lasrar med en optisk energiförsörjning och ett externt hålrum kan generera en stråle av god kvalitet med en effekt på flera watt med lägeslåsning.
Halvledarlaserfunktionkvantkaskadtyp baseras på övergångar inom band (i motsats till interband). Dessa enheter avger i mitten av det infraröda området av spektrumet, ibland i terahertz-området. De används till exempel som gasanalysatorer.
Halvledarlaser: applikation och huvudaspekter
Kraftfulla diodlasrar med högeffektiv elektrisk pumpning vid måttliga spänningar används som ett sätt att leverera energi till högeffektiva halvledarlaser.
Halvledarlaser kan fungera i stortett frekvensområde som inkluderar de synliga, nära infraröda och mellersta infraröda delarna av spektrumet. Enheter har skapats som också gör det möjligt att ändra publiceringsfrekvensen.
Laserdioder kan snabbt växla och modulera optisk effekt, vilket hittar applikation i fiberoptiska sändare.
Dessa egenskaper har gjort halvledarlaser tekniskt sett till den viktigaste typen av kvantgeneratorer. De tillämpas:
- i telemetrisensorer, pyrometrar, optiska höjdmätare, avståndsmätare, sevärdheter, holografi;
- i fiberoptiska system för optisk överföring och datalagring, sammanhängande kommunikationssystem;
- i laserskrivare, videoprojektorer, pekare, streckkodsläsare, bildskannrar, CD-spelare (DVD, CD, Blu-Ray);
- inom säkerhetssystem, kvantkryptografi, automatisering, indikatorer;
- inom optisk metrologi och spektroskopi;
- inom kirurgi, tandvård, kosmetologi, terapi;
- för vattenrening, materialbearbetning, pumpning av halvledarlaser, kontroll av kemiska reaktioner, inom industrisortering, industriell maskinteknik, tändsystem, luftförsvarssystem.
Pulsutgång
De flesta halvledarlaser genererarkontinuerlig stråle. På grund av elektronernas korta uppehållstid vid konduktivitetsnivå är de inte särskilt lämpliga för att generera pulser med Q-omkoppling, men det kvasikontinuerliga driftsättet kan avsevärt öka kvantgeneratorns effekt. Dessutom kan halvledarlaser användas för att generera ultrakortspulser med lägeslåsning eller förstärkning. Medeleffekten för korta pulser är vanligtvis begränsad till några milliwatt, med undantag för optiskt pumpade VECSEL-lasrar, vars uteffekt mäts i multiwattpikosekundpulser med en frekvens på tiotals gigahertz.
Modulation och stabilisering
Fördelen med en kortare vistelseelektron i ledningsbandet är förmågan hos halvledarlaser till högfrekvent modulering, som i VCSEL-lasrar överstiger 10 GHz. Detta har visat sig tillämpas inom optisk dataöverföring, spektroskopi och laserstabilisering.
