Halvlederlasere er kvantegeneratorer basert på et halvlederaktivt medium der optisk forsterkning skapes av stimulert emisjon under en kvanteovergang mellom energinivåer ved høy konsentrasjon av ladningsbærere i frisonen.
Halvlederlaser: operasjonsprinsipp
I norm altilstand er de fleste elektroner lokalisert på valensnivå. Når fotoner tilfører energi som overstiger energien til diskontinuitetssonen, kommer halvlederens elektroner inn i en eksitasjonstilstand og, etter å ha overvunnet den forbudte sonen, går de inn i den frie sonen og konsentrerer seg ved dens nedre kant. Samtidig stiger hullene som dannes på valensnivået til dens øvre grense. Elektroner i den frie sonen rekombinerer med hull, og stråler ut en energi som er lik energien til diskontinuitetssonen i form av fotoner. Rekombinasjon kan forsterkes av fotoner med tilstrekkelig energinivå. Den numeriske beskrivelsen tilsvarer Fermi-distribusjonsfunksjonen.
Device
Halvlederlaserenheter en laserdiode pumpet med energien til elektroner og hull i p-n-krysset sonen - kontaktpunktet for halvledere med p- og n-type ledningsevne. I tillegg er det halvlederlasere med optisk energiforsyning, hvor strålen dannes ved å absorbere fotoner av lys, samt kvantekaskadelasere, hvis drift er basert på overganger innenfor bånd.
Composition
Standardtilkoblinger brukt i både halvlederlasere og andre optoelektroniske enheter er som følger:
- galliumarsenid;
- galliumfosfid;
- galliumnitrid;
- indiumfosfid;
- indium-galliumarsenid;
- galliumaluminiumarsenid;
- gallium-indiumarsenidnitrid;
- gallium-indiumfosfid.
Bølgelengde
Disse forbindelsene er halvledere med direkte gap. Indirekte gap (silisium) lys avgir ikke med tilstrekkelig styrke og effektivitet. Bølgelengden til diodelaserstrålingen avhenger av graden av tilnærming av fotonenergien til energien til diskontinuitetssonen til en bestemt forbindelse. I 3- og 4-komponent halvlederforbindelser kan diskontinuitetssoneenergien variere kontinuerlig over et bredt område. For AlGaAs=AlxGa1-xAs, for eksempel, resulterer en økning i aluminiuminnholdet (en økning i x) i en økning i energien til diskontinuitetssonen.
Mens de vanligste halvlederlaserne opererer i nær infrarødt lys, avgir noen røde (indiumgalliumfosfid), blå eller fiolette (galliumnitrid) farger. Midt-infrarød stråling produseres av halvlederlasere (blyselenid) og kvantekaskadelasere.
organiske halvledere
I tillegg til de ovennevnte uorganiske forbindelsene kan også organiske brukes. Den tilsvarende teknologien er fortsatt under utvikling, men utviklingen lover å redusere kostnadene ved produksjon av kvantegeneratorer betydelig. Så langt er det kun utviklet organiske lasere med optisk energiforsyning, og høyeffektiv elektrisk pumping er ennå ikke oppnådd.
varianter
Mange halvlederlasere har blitt laget, med forskjellige parametere og anvendt verdi.
Små laserdioder produserer en høykvalitets stråle av kantstråling, hvis kraft varierer fra flere til fem hundre milliwatt. Laserdiodekrystallen er en tynn rektangulær plate som fungerer som en bølgeleder, siden strålingen er begrenset til et lite rom. Krystallen er dopet på begge sider for å skape et p-n-kryss av et stort område. De polerte endene skaper en optisk Fabry-Perot-resonator. Et foton som går gjennom resonatoren vil forårsake rekombinasjon, strålingen vil øke, og generering vil begynne. Brukes i laserpekere, CD- og DVD-spillere og fiberoptisk kommunikasjon.
Low-power monolittiske lasere og kvantegeneratorer med en ekstern resonator for å danne korte pulser kan produsere moduslåsing.
Laserehalvleder med en ekstern resonator består av en laserdiode, som spiller rollen som et forsterkermedium i sammensetningen av en større laserresonator. De er i stand til å endre bølgelengder og har et sm alt emisjonsbånd.
Injeksjonshalvlederlasere har et emisjonsområde i form av et bredt bånd, kan generere en lavkvalitetsstråle med en effekt på flere watt. De består av et tynt aktivt lag plassert mellom p- og n-laget, og danner en dobbel heterojunction. Det er ingen mekanisme for å holde lys i sideretningen, noe som resulterer i fjernlys elliptisk og uakseptabelt høye terskelstrømmer.
Kraftige diodestenger, som består av en rekke bredbåndsdioder, er i stand til å produsere en stråle av middels kvalitet med en effekt på titalls watt.
Kraftige todimensjonale serier med dioder kan generere kraft i hundrevis og tusenvis av watt.
Surface emitting lasers (VCSELs) sender ut en lysstråle av høy kvalitet med en effekt på flere milliwatt vinkelrett på platen. Resonatorspeil påføres på strålingsoverflaten i form av lag med ¼ bølgelengde med forskjellige brytningsindekser. Flere hundre lasere kan lages på en enkelt brikke, noe som åpner for muligheten for masseproduksjon.
VECSEL-lasere med optisk strømforsyning og en ekstern resonator er i stand til å generere en stråle av god kvalitet med en effekt på flere watt i moduslåsing.
Operasjonen til en halvlederlaser kvante-kaskadetype er basert på overganger innenfor sonene (i motsetning til intersoner). Disse enhetene sender ut i det midt-infrarøde området, noen ganger i terahertz-området. De brukes for eksempel som gassanalysatorer.
Halvlederlasere: applikasjon og hovedaspekter
Kraftige diodelasere med høyeffektiv elektrisk pumping ved moderate spenninger brukes som et middel til å drive høyeffektive solid-state lasere.
Halvlederlasere kan operere over et bredt frekvensområde, som inkluderer de synlige, nær-infrarøde og midt-infrarøde delene av spekteret. Det er laget enheter som også lar deg endre frekvensen på utslippet.
Laserdioder kan raskt bytte og modulere optisk effekt, som finner anvendelse i fiberoptiske sendere.
Slike egenskaper har gjort halvlederlasere teknologisk til den viktigste typen kvantegeneratorer. De gjelder:
- i telemetrisensorer, pyrometre, optiske høydemålere, avstandsmålere, severdigheter, holografi;
- i fiberoptiske systemer for optisk overføring og datalagring, sammenhengende kommunikasjonssystemer;
- i laserskrivere, videoprojektorer, pekere, strekkodeskannere, bildeskannere, CD-spillere (DVD, CD, Blu-Ray);
- i sikkerhetssystemer, kvantekryptografi, automatisering, indikatorer;
- i optisk metrologi og spektroskopi;
- innen kirurgi, tannbehandling, kosmetikk, terapi;
- for vannbehandling,materialbehandling, faststofflaserpumping, kjemisk reaksjonskontroll, industriell sortering, industriteknikk, tenningssystemer, luftvernsystemer.
Pulsutgang
De fleste halvlederlasere genererer en kontinuerlig stråle. På grunn av den korte oppholdstiden til elektroner på ledningsnivået er de lite egnet for å generere Q-svitsjede pulser, men den kvasi-kontinuerlige driftsmodusen tillater en betydelig økning i kraften til kvantegeneratoren. I tillegg kan halvlederlasere brukes til å generere ultrakorte pulser med moduslåsing eller forsterkningssvitsjing. Gjennomsnittseffekten til korte pulser er vanligvis begrenset til noen få milliwatt, med unntak av optisk pumpede VECSEL-lasere, hvis utgang måles av multi-watt picosekundpulser med en frekvens på titalls gigahertz.
Modulering og stabilisering
Fordelen med det korte oppholdet til et elektron i ledningsbåndet er evnen til halvlederlasere til høyfrekvent modulering, som for VCSEL-lasere overstiger 10 GHz. Den har funnet anvendelse innen optisk dataoverføring, spektroskopi, laserstabilisering.
