Yarı iletken lazerler: çeşitleri, cihazları, çalışma prensibi, uygulama

Yarı iletken lazerler kuantumdurserbest bölgedeki yüksek bir yük taşıyıcı konsantrasyonunda enerji seviyeleri arasındaki kuantum geçişi sırasında uyarılmış emisyonla optik amplifikasyonun üretildiği yarı iletken aktif bir ortama dayanan jeneratörler.

Yarı iletken lazer: çalışma prensibi

Normal durumda çoğu elektrondeğerlik seviyesinde bulunur. Fotonlar, süreksizlik bölgesinin enerjisini aşan enerji sağladığında, yarı iletken elektronlar uyarılma durumuna girer ve yasak bölgenin üstesinden geldikten sonra alt kenarında yoğunlaşarak serbest bölgeye geçer. Aynı zamanda, değerlik seviyesinde oluşan delikler üst sınırına yükselir. Serbest bölgedeki elektronlar, fotonlar şeklinde boşluğun enerjisine eşit enerji yayarak deliklerle yeniden birleşirler. Rekombinasyon, yeterli enerji seviyelerine sahip fotonlar tarafından geliştirilebilir. Sayısal açıklama, Fermi dağılımı işlevine karşılık gelir.

cihaz

Yarı iletken lazer cihazı temsil ederyarı iletkenlerin p- ve n-tipi iletkenlikle temas ettiği yer olan pn-bağlantı bölgesindeki elektronların ve deliklerin enerjisi ile pompalanan bir lazer diyotudur. Buna ek olarak, ışının ışık fotonlarını emerek oluşturulduğu optik enerji beslemeli yarı iletken lazerler ile bantlar arasındaki geçişlere dayanan kuantum kademeli lazerler vardır.

yapı

Hem yarı iletken lazerlerde hem de diğer optoelektronik cihazlarda kullanılan standart bağlantılar aşağıdaki gibidir:

• galyum arsenid;
• galyum fosfit;
• galyum nitrür;
• indiyum fosfit;
• indiyum galyum arsenit;
• galyum alüminyum arsenit;
• indiyum galyum arsenit;
• galyum-indiyum fosfit.

Dalgaboyu

Bu bileşikler, doğrudan boşluklu yarı iletkenlerdir. Yeterli güç ve verime sahip dolaylı aralıklı (silikon) ışık yaymaz. Diyot lazer radyasyonunun dalga boyu, foton enerjisinin belirli bir bileşiğin kırılma bölgesinin enerjisine yaklaşma derecesine bağlıdır. 3 ve 4 bileşenli yarı iletken bileşiklerde, boşluk bölgesinin enerjisi geniş bir aralıkta sürekli olarak değiştirilebilir. AlGaAs = Al_ileGa_1-xÖrneğin, alüminyum içeriğindeki bir artış (x'te bir artış), kopma bölgesinin enerjisinde bir artışa neden olur.

En yaygın ikenYarı iletken lazerler spektrumun IR'ye yakın kısmında çalışır, bazıları kırmızı (galyum-indiyum fosfit), mavi veya mor (galyum nitrür) renkler yayar. Orta kızılötesi radyasyon, yarı iletken lazerler (kurşun selenit) ve kuantum kademeli lazerler tarafından üretilir.

Organik yarı iletkenler

Yukarıda belirtilen inorganik bileşiklerin yanı sıra,organik de kullanılabilir. Karşılık gelen teknoloji hala geliştirme aşamasındadır, ancak geliştirilmesi kuantum jeneratörlerinin üretim maliyetini önemli ölçüde azaltmayı vaat etmektedir. Şimdiye kadar, yalnızca optik enerji beslemeli organik lazerler geliştirildi ve yüksek verimli elektrik pompalama henüz sağlanamadı.

tür

Parametreler ve uygulanan değer bakımından farklılık gösteren çok sayıda yarı iletken lazer oluşturulmuştur.

Küçük lazer diyotlar kalite üretirgücü birkaç ila beş yüz miliwatt arasında değişen bir kenar radyasyonu ışını. Bir lazer diyot kristali, radyasyon küçük bir alanla sınırlı olduğu için dalga kılavuzu görevi gören ince dikdörtgen bir plakadır. Büyük bir pn bağlantısı oluşturmak için kristalin her iki tarafı da katkılıdır. Cilalı uçlar, bir optik Fabry - Perot rezonatörü oluşturur. Rezonatörden geçen bir foton rekombinasyona neden olacak, radyasyon artacak ve üretim başlayacaktır. Lazer işaretçilerde, CD ve DVD oynatıcılarda ve fiber optik iletişimde kullanılır.

Düşük güçlü monolitik lazerler ve kısa darbeler üretmek için harici bir boşluğa sahip kuantum üreteçleri, mod kilitlemesi üretebilir.

Harici rezonatörlü yarı iletken lazerlerDaha büyük bir lazer boşluğunda bir amplifiye edici ortam rolünü oynayan bir lazer diyotundan oluşur. Dalga boylarını değiştirebilirler ve dar bir emisyon bandına sahiptirler.

Enjeksiyon yarı iletken lazerleri,geniş bir bant şeklindeki radyasyon bölgesi, birkaç watt gücünde düşük kaliteli bir ışın üretebilir. Çift heterojonksiyon oluşturan p ve n katmanları arasında yer alan ince bir aktif katmandan oluşurlar. Yanal yönde ışık hapsedilme mekanizması yoktur, bu da yüksek huzme eliptikliği ve kabul edilemez derecede yüksek eşik akımları ile sonuçlanır.

Bir dizi geniş bant diyottan oluşan güçlü diyot dizileri, onlarca watt gücünde vasat kalitede bir ışın üretebilir.

Güçlü 2D diyot dizileri yüzlerce veya binlerce watt güç üretebilir.

Yüzey Yayan Lazerler (VCSEL'ler) yayarplakaya dik birkaç miliwatt gücünde yüksek kaliteli bir ışık demeti. Radyasyon yüzeyine, farklı kırılma indislerine sahip ¼ dalga boylarında katmanlar halinde rezonatör aynalar uygulanır. Bir kristal üzerinde birkaç yüz lazer üretilebilir ve bu da onların seri üretim olasılığını açar.

Optik enerji kaynağı ve harici boşluğa sahip VECSEL lazerleri, mod kilitleme ile birkaç watt gücünde iyi kalitede bir ışın üretebilir.

Yarı iletken lazer işlemikuantum kademeli türü, bantlar içindeki geçişlere dayanır (bantlar arası geçişin aksine). Bu cihazlar, spektrumun orta kızılötesi bölgesinde, bazen terahertz aralığında yayılır. Örneğin gaz analizörleri olarak kullanılırlar.

Yarı iletken lazerler: uygulama ve ana yönler

Orta gerilimlerde yüksek verimli elektrik pompalamalı güçlü diyot lazerler, yüksek verimli katı hal lazerlerine enerji sağlama aracı olarak kullanılır.

Yarı iletken lazerler büyükspektrumun görünür, yakın kızılötesi ve orta kızılötesi kısımlarını içeren bir frekans aralığı. Yayın sıklığını değiştirmeyi de mümkün kılan cihazlar yaratılmıştır.

Lazer diyotlar, fiber optik vericilerde kullanılan optik gücü hızla değiştirebilir ve modüle edebilir.

Bu özellikler, yarı iletken lazerleri teknolojik olarak en önemli kuantum jeneratörü türü haline getirmiştir. Uygulanırlar:

• telemetri sensörlerinde, pirometrelerde, optik altimetrelerde, uzaklık ölçerler, nişangahlar, holografi;
• optik iletim ve veri depolama için fiber optik sistemlerde, uyumlu iletişim sistemleri;
• lazer yazıcılarda, video projektörlerinde, işaretçilerde, barkod tarayıcılarda, görüntü tarayıcılarda, CD oynatıcılarda (DVD, CD, Blu-Ray);
• güvenlik sistemlerinde kuantum kriptografi, otomasyon, göstergeler;
• optik metroloji ve spektroskopide;
• cerrahide, dişçilikte, kozmetikte, terapide;
• su arıtma, malzeme işleme, katı hal lazerlerinin pompalanması, kimyasal reaksiyonların kontrolü, endüstriyel sınıflandırma, endüstriyel makine mühendisliği, ateşleme sistemleri, hava savunma sistemleri için

Darbe çıkışı

Çoğu yarı iletken lazer,sürekli kiriş. Elektronların iletkenlik seviyesindeki kısa kalma süreleri nedeniyle, Q-anahtarlamalı darbeler üretmek için çok uygun değillerdir, ancak yarı sürekli çalışma modu, kuantum üretecinin gücünü önemli ölçüde artırabilir. Ek olarak, yarı iletken lazerler, mod kilitleme veya kazanç değiştirme ile ultra kısa darbeler oluşturmak için kullanılabilir. Kısa darbelerin ortalama gücü, çıktısı onlarca gigahertz frekansının çoklu watt pikosaniye darbelerinde ölçülen optik olarak pompalanan VECSEL lazerleri haricinde genellikle birkaç miliwatt ile sınırlıdır.

Modülasyon ve stabilizasyon

Kısa kalmanın avantajıİletim bandındaki elektron, yarı iletken lazerlerin VCSEL lazerlerde 10 GHz'yi aşan yüksek frekanslı modülasyon yeteneğidir. Bu, optik veri iletimi, spektroskopi ve lazer stabilizasyonunda uygulama bulmuştur.