Polprevodniški laserji: vrste, naprava, načelo delovanja, uporaba

Polprevodniški laserji so kvantni generatorji polprevodniški osnovi aktivno sredstvo, pri čemer je optično ojačanje z vzbujeno povzročajo na prehodu med kvantnih energijskih nivojev pri visoki koncentraciji prostih nosilcev naboja na tem območju.

Polprevodniški laser: načelo delovanja

V navadnem stanju se večina elektronov nahaja na ravni valence. Med pristop fotonov energije nad vrzel pas energije, polprevodnikov, elektroni pridejo v stanju vzbujanja in lomljenje prepovedano cono, ki se gibljejo v prosto cono, s poudarkom na spodnjem robu. Istočasno se luknje, oblikovane na ravni valence, dvignejo do zgornje meje. Elektroni v prosti coni rekombinacije z luknjami, sevalni energijo, ki je enaka energiji porušitvi cone, v obliki fotonov. Recombinacijo lahko ojačajo fotoni z zadostno količino energije. Številčni opis ustreza funkciji Fermijevega porazdelitve.

Naprava

Polprevodniška laserska naprava je a laserska dioda, črpana z energijo elektronov in lukenj v pn-spojni regiji - točka stika polprevodnikov s prevodnostjo p in n. Poleg tega obstajajo polprevodniški laserji z optičnimi oskrbo z energijo, pri katerih se žarek tvori z absorpcijo fotonov svetlobe, pa tudi s kvantnimi kaskadnimi laserji, katerih delovanje temelji na prehodih znotraj pasov.

Sestava

Standardne povezave, ki se uporabljajo v obeh polprevodniških laserjih in drugih optoelektronskih napravah, so naslednje:

• galijev arzenid;
• galijev fosfid;
• galijev nitrid;
• indij-fosfid;
• indij galijev arzenid;
• arzenid iz aluminija-galija;
• arzenid-nitrid galijev-indij;
• galij-indijev fosfid.

Valovna dolžina

Te spojine so polprevodniki z direktno vrzeljo. Posredna (silikonska) luč z zadostno močjo in učinkovitostjo ne oddaja. Valovna dolžina sevanja diode laser odvisno od stopnje aproksimacije energije fotona na energijo območja zlomov določene spojine. V 3- in 4-komponentni spojini polprevodnikov se lahko energija območja prekinitve neprekinjeno spreminja v širokem obsegu. V AlGaAs = Al_xGa_1-xKot, na primer, povečanje vsebnosti aluminija (povečanje x) povzroči povečanje energije v območju prekinitve.

Medtem ko je najpogostejši polprevodniški laserji delujejo v bližnjem infrardečem delu spektra, nekateri oddajajo rdečo (galija indija fosfid), modro ali vijolično (galij nitrid) barve. Povprečno infrardeče sevanje proizvajajo polprevodniški laserji (svinec selenid) in kvantni kaskadni laserji.

Organski polprevodniki

Poleg zgoraj navedenih anorganskih spojin se lahko uporablja tudi organsko. Ustrezna tehnologija je še vedno v razvoju, vendar pa njen razvoj obljublja znatno zmanjšanje stroškov proizvodnje kvantnih generatorjev. Do sedaj so bili razviti le organski laserji z optično oskrbo z energijo in še ne dosežena zelo učinkovita električna črpanja.

Sorte

Ustvari se veliko polprevodniških laserjev, ki se razlikujejo po parametrih in vrednosti aplikacije.

Majhne laserske diode proizvajajo visokokakovostni snop sonde, katerega moč je od nekaj do petsto mililitrov. Laserska dioda kristal je tanka pravokotna plošča, ki služi kot valovod, saj je sevanje omejeno na majhen prostor. Kristal je na obeh straneh dopiran tako, da tvori veliko površino p-n križišča. Polirani konci ustvarijo optični Fabry-Perot resonator. Foton, ki gre skozi resonator, bo povzročil rekombinacijo, sevanje se bo povečalo in generacija se bo začela. Uporabljajo se v laserskih kazalcih, CD-jih in DVD-predvajalnikih ter v komunikaciji z optičnimi vlakni.

Nizkonočni monolitni laserji in kvantni generatorji z zunanjo votlino za tvorbo kratkih impulzov lahko proizvedejo sinhronizacijo načina delovanja.

Polprevodniški laserji z zunanjim resonatorjem sestavljajo laserska dioda, ki igra vlogo ojačevalnega medija v sestavi večje laserske votline. Sposobni so spreminjati valovne dolžine in imeti ozek pas sevanja.

Injektivni polprevodniški laserji imajo območje sevanja v obliki širokega traku, lahko ustvarjajo nizko kakovosten žarek z močjo več vatov. Sestavljen je iz tankega aktivnega sloja, ki se nahaja med p in n plasti, ki tvori dvojni heterojon. Mehanizem omejevanja svetlobe v stranski smeri je odsoten, kar ima za posledico eliptičnost z visokim snopom in nesprejemljivo visok pragovni tok.

Zmogljive diode, ki so sestavljene iz množice širokopasovnih diod, lahko proizvajajo povprečen žarek moči več deset vatov.

Zmogljive dvodimenzionalne nizi diode lahko ustvarjajo moč v stotinah in tisočih vatov.

Laserji, ki oddajajo površino (VCSEL), oddajajo kvalitativno svetlobo svetlobe več mililitatov pravokotno na ploščo. Na površini sevanja so resonatorska ogledala nameščena v obliki slojev v frac14-din valovi z različnimi refrakcijski indeksi. Edinstven kristal lahko proizvede več sto laserjev, kar odpira možnost njihove množične proizvodnje.

VECSEL laserji z optičnim napajanjem in zunanjim resonatorjem lahko med sinhronizacijo načina ustvarjajo kakovosten žarek z močjo več vatov.

Delo kvantno-kaskadnega polprevodniškega laserja temelji na prehodih v conah (za razliko od medbančnih). Te naprave oddajajo sredi infrardečega dela spektra, včasih v območju terahercja. Uporabljajo se, na primer, kot plinski analizatorji.

Polprevodnik laserji: uporaba in glavne vidike

Zmogljivi diodni laserji z visoko učinkovitostjo električnega črpanja pri zmernih napetostih se uporabljajo kot sredstva za vnašanje energije za visoko učinkovitost trdni laserji.

Polprevodniški laserji lahko delujejo v širokem frekvenčnem območju, ki vključuje vidni, bližnji infrardeči in srednji infrardeči del spektra. Ustvarjene so naprave, ki vam omogočajo tudi spreminjanje pogostosti izbruha.

Laserske diode lahko hitro preklopijo in modulirajo optično moč, ki najde aplikacijo v oddajnikih optičnih komunikacijskih linij.

Zaradi teh lastnosti so polprevodniški laserji najbolj tehnološko pomembni tipi kvantnih generatorjev. Uporabljajo se:

• v telemetričnih senzorjih, pirometrih, optičnih višinomerih, iskalcih razdalj, znamenitostih, holografiji;
• v optičnih sistemih optičnega prenosa in shranjevanja podatkov, sistemov koherentne komunikacije;
• v laserskih tiskalnikih, video projektorjih, kazalcih, čitalnikih črtne kode, slikovni skenerjih, predvajalnikih CD-jev (DVD, CD, Blu-Ray);
• v varnostnih sistemih, kvantno kriptografijo, avtomatizacijo, kazalniki;
• v optični metrologiji in spektroskopiji;
• v kirurgiji, zobozdravstvu, kozmetologiji, terapiji;
• za obdelavo vode, predelavo materiala, črpanje trdnih laserjev, nadzor kemične reakcije, industrijsko sortiranje, industrijski inženiring, sistemi vžiga, sistemi za zaščito zraka.

Impulzni izhod

Večina polprevodniških laserjev ustvarja kontinuirni nosilec. Glede na čas kratek prebivanje elektronov v ravni prevajanja niso zelo primerni za ustvarjanje a-Q vklopljen impulze, ampak kvazi-stalno način delovanja lahko bistveno poveča kvantni generator moči. Poleg tega lahko polprevodniški laserji se uporabljajo za proizvodnjo Ultrakratki pulznega načina zaklenjena ali preklop dobička. Povprečen električni kratki impulzi, navadno omejena na nekaj milivatov razen-VECSEL optičnega črpanja laserji, ki izhodna moč izmerjenih pikosekunde impulzov s frekvenco v deset GHz.

Modulacija in stabilizacija

Prednost kratkotrajnega zadrževanja elektronov v pasu prevodnosti je zmožnost polprevodniških laserjev do visokofrekvenčne modulacije, ki v VCSEL laserjih presega 10 GHz. To je ugotovilo uporabo pri optičnem prenosu podatkov, spektroskopiji in stabilizaciji laserjev.