Poluvodički laseri: vrste, uređaj, načelo rada, primjena

Poluvodički laser su generatori kvantne temelju poluvodiča aktivni medij, naznačen time, da se optička pojačanje poticanjem emisije nastaje na prijelazu između kvantnih razina energije u visokoj koncentraciji slobodnih naboja u tom području.

Poluvodički laser: princip rada

U običnoj državi većina elektrona nalazi se na valencijskoj razini. Tijekom pristup energiji fotona prelazi pojas energije, a poluvodiča, elektroni dolaze u stanje uzbude i razbijanje zabranjenu zonu, krećući se u slobodnu zonu, koncentrirajući se na donjem rubu. Istodobno, rupe nastale na razini valencije rastu do gornje granice. Elektroni u slobodne zone rekombinirati s rupama, zrači energije jednaka energiji rupture zone, u obliku fotona. Rekombinacija se može pojačati fotonima s dovoljnom razinom energije. Brojčani opis odgovara funkciji distribucije Fermi.

uređaj

Poluvodički laserski uređaj je a laserska dioda, pumpa elektrone i rupe u području p-n-prijelaz - točka kontaktu s vodljivim poluvodiča p- i n-tipa. Nadalje, tu su poluvodički laseri s optičkim unos energije u kojem se snop je formirana apsorpcije fotona svjetlosti i kvantnih kaskadnih lasera, koji se temelje na prijelaze unutar zone.

struktura

Standardne veze koje se koriste u oba poluvodička lasera i drugim optoelektroničkim uređajima su kako slijedi:

• galijev arsenid;
• galijev fosfid;
• galijev nitrid;
• indij fosfid;
• indium galijev arsenid;
• arsenid aluminijevog galija;
• arsenid-nitrid galij-indij;
• galijev indij fosfid.

valna duljina

Ovi spojevi su poluvodiči s izravnim jazom. Indirektna (silicijska) svjetlost koja ima dovoljnu snagu i učinkovitost ne emitira. Valna duljina zračenja diodni laser ovisi o stupnju aproksimacije energije fotona u energiju zagušene zone određenog spoja. U 3- i 4-komponentnim spojevima poluvodiča, energija zone diskontinuiteta može kontinuirano varirati u širokom rasponu. U AlGaAs = Al_xga_{1 x}Na primjer, povećanje sadržaja aluminija (povećanje x) rezultira povećanjem energije u zoni diskontinuiteta.

Dok su najčešći poluvodički laseri djeluju u bliskom infracrvenom dijelu spektra, neke emitiraju crveno (galij indij fosfid), plave ili ljubičaste (galij nitrida) boje. Prosječno infracrveno zračenje proizvodi poluvodički laseri (olovo selenid) i kvantni kaskadni laseri.

Organski poluvodiči

Pored gore navedenih anorganskih spojeva, također se mogu upotrijebiti organski spojevi. Odgovarajuća tehnologija još uvijek je u razvoju, ali njegov razvoj obećava značajno smanjenje troškova proizvodnje kvantnih generatora. Do sada su razvijeni samo organski laseri s optičkim opskrbom energijom, a vrlo učinkovita električna crpka još nije postignuta.

vrsta

Izrađeni su mnogi poluvodički laseri, koji se razlikuju po parametrima i vrijednosti aplikacije.

Male laserske diode proizvode visoku kvalitetu zračenja lica, čija snaga se kreće od nekoliko do pet stotina miliwata. Laserski diodni kristal je tanka pravokutna ploča koja služi kao valovod, budući da je zračenje ograničeno na mali prostor. Kristal je dopiran na obje strane kako bi stvorio veliki prostor p-n spoj. Polirani krajevi stvaraju optički Fabry-Perot rezonator. Foton, koji prolazi kroz rezonator, uzrokuje rekombinaciju, zračenje će se povećati, a generacija će započeti. Koriste se u laserskim pokazivačima, CD i DVD playerima, kao iu svjetlovodnoj komunikaciji.

Niske laseri snage i čvrste laseri s vanjskim šupljine za stvaranje kratke impulse može sinkronizirati događaje.

Poluvodički laseri s vanjskim rezonatorom sastoje se od laserske diode koja igra ulogu amplifikacijskog medija u sastavu veće laserske šupljine. Mogu promijeniti valne duljine i imati uski pojas zračenja.

Injekcijski poluvodički laseri imaju područje zračenja u obliku širokog pojasa, mogu stvoriti nisku kvalitetu snopa snage nekoliko wata. Oni se sastoje od tankog aktivnog sloja koji se nalazi između p i n slojeva, tvoreći dvostruko heterojunction. Odsutan je mehanizam zatvaranja svjetla u lateralnom smjeru, što rezultira visokom eliptičnom zrakom i neprihvatljivo visokim strujama pragova.

Moćne diode polja, koje se sastoje od niza širokopojasnih dioda, sposobne su proizvesti osrednji snop snage desetaka wata.

Snažne dvodimenzionalne polja dioda mogu generirati snagu u stotinama i tisućama wata.

Laseri koji emitiraju površinu (VCSEL) emitiraju kvalitativnu zračnu svjetlost nekoliko milliwata okomito na ploču. Na površini zračenja rezonatorna zrcala se postavljaju u obliku slojeva u frac14-din valova s ​​različitim refraktivni indeksi. Jedan kristal može proizvesti nekoliko stotina lasera, što otvara mogućnost njihove masovne proizvodnje.

VECSEL laseri s optičkim napajanjem i vanjskim rezonatorom mogu generirati kvalitetnu zraku snage nekoliko wata tijekom sinkronizacije moda.

Rad poluvodički laser tipa kvantna kaskada na temelju prijelaza unutar pojasa (za razliku od interband). Ovi uređaji emitiraju se u sredini infracrvenog dijela spektra, ponekad u području terahercsa. Koriste se, na primjer, kao analizatori plina.

poluprovodnik laseri: primjena i glavnih aspekata

Moćni diodni laseri s visokoučinkovitom električnom pumpom uz umjerene napone koriste se kao sredstva za unos energije za vrlo učinkovito laseri čvrstog stanja.

Poluvodički laseri mogu raditi u širokom frekvencijskom području, koji uključuje vidljivi, blizu infracrvenog i srednjeg infracrvenog dijela spektra. Napravljeni su uređaji koji također omogućuju promjenu učestalosti ispada.

Laserske diode mogu brzo prebaciti i modulirati optičku snagu, koja pronalazi primjenu u odašiljačima svjetlovodnih komunikacijskih vodova.

Takva obilježja učinila su poluvodičke lasere tehnološki najvažnijim vrstama kvantnih generatora. Primjenjuju se:

• u telemetrijskim senzorima, pirometrom, optičkim visinomjerima, tražilom dometa, znamenitostima, holografijom;
• u sustavima optičkih vlakana optičkog prijenosa i pohrane podataka, sustava koherentne komunikacije;
• u laserskim pisačima, video projektorima, pokazivačima, skenerima za crtični kod, skeneri slika, CD playeri (DVD, CD, Blu-Ray);
• u sigurnosnim sustavima, kvantnoj kriptografiji, automatizaciji, pokazateljima;
• u optičkom mjeriteljstvu i spektroskopiji;
• u kirurgiji, stomatologiji, kozmetologiji, terapiji;
• za obradu vode, obradu materijala, crpljenje lasera čvrstog stanja, kontrolu kemijske reakcije, industrijsko sortiranje, industrijsko inženjerstvo, sustave paljenja, sustavi protuzračne obrane.

Pulsni izlaz

Većina poluvodičkih lasera stvara kontinuirani snop. Zbog kratkog vremena zadržavanja elektrona u razini kondukcija oni nisu vrlo pogodna za generiranje Q-switched impulsa, ali kvazi-kontinuirano način rada može značajno povećati kvantni generator snage. Osim toga, poluvodički laseri mogu se koristiti za stvaranje ultrazvučnih impulsa s sinkronizacijom načina rada ili prijelazom. Prosječna snaga kratke impulse, obično ograničena na nekoliko mW osim VECSEL-optički pumpa lasera, koji izlaz snagom izmjerenih pikosekundnim impulse sa frekvencijom u desecima GHz.

Modulacija i stabilizacija

Prednost kratkog boravka elektrona u vodljivi pojas poluvodičkih lasera je sposobnost da moduliraju visoke frekvencije koje imaju VCSEL-laser prelazi 10 GHz. Ovo je pronašla primjenu u prijenosu optičkih podataka, spektroskopiji i stabilizaciji lasera.