Halvledarlasrar är kvantgeneratorer baserade på ett halvledaraktivt medium där optisk förstärkning skapas genom stimulerad emission under en kvantövergång mellan energinivåer vid en hög koncentration av laddningsbärare i den fria zonen.
Halvledarlaser: funktionsprincip
I norm alt tillstånd finns de flesta elektroner på valensnivån. När fotoner levererar energi som överstiger energin i diskontinuitetszonen, kommer halvledarens elektroner i ett tillstånd av excitation och, efter att ha övervunnit den förbjudna zonen, passerar de in i den fria zonen och koncentrerar sig vid dess nedre kant. Samtidigt stiger hålen som bildas på valensnivån till dess övre gräns. Elektroner i den fria zonen rekombinerar med hål och utstrålar en energi lika med energin i diskontinuitetszonen i form av fotoner. Rekombination kan förstärkas av fotoner med tillräckliga energinivåer. Den numeriska beskrivningen motsvarar Fermi-distributionsfunktionen.
Device
Halvledarlaserenhetär en laserdiod som pumpas med energin från elektroner och hål i p-n-övergångszonen - kontaktpunkten för halvledare med ledningsförmåga av p- och n-typ. Dessutom finns halvledarlasrar med optisk energiförsörjning, i vilka strålen bildas genom att absorbera fotoner av ljus, samt kvantkaskadlasrar, vars funktion är baserad på övergångar inom band.
Composition
Standardanslutningar som används i både halvledarlasrar och andra optoelektroniska enheter är följande:
- galliumarsenid;
- galliumfosfid;
- galliumnitrid;
- indiumfosfid;
- indium-galliumarsenid;
- galliumaluminiumarsenid;
- gallium-indiumarsenidnitrid;
- gallium-indiumfosfid.
våglängd
Dessa föreningar är halvledare med direktgap. Indirekt-gap (kisel) ljus avger inte med tillräcklig styrka och effektivitet. Våglängden för diodlaserstrålningen beror på graden av approximation av fotonenergin till energin i diskontinuitetszonen för en viss förening. I 3- och 4-komponents halvledarföreningar kan diskontinuitetszonens energi kontinuerligt variera över ett brett område. För AlGaAs=AlxGa1-xAs, till exempel, resulterar en ökning av aluminiumh alten (en ökning av x) i en ökning av energin i diskontinuitetszonen.
Medan de vanligaste halvledarlasrarna fungerar i det nära infraröda, avger vissa röda (indiumgalliumfosfid), blå eller violett (galliumnitrid) färger. Mellaninfraröd strålning produceras av halvledarlasrar (blyselenid) och kvantkaskadlasrar.
Organiska halvledare
Utöver de ovan nämnda oorganiska föreningarna kan även organiska användas. Motsvarande teknik är fortfarande under utveckling, men dess utveckling lovar att avsevärt minska kostnaden för produktion av kvantgeneratorer. Hittills har endast organiska lasrar med optisk energiförsörjning utvecklats, och högeffektiv elektrisk pumpning har ännu inte uppnåtts.
Varieties
Många halvledarlasrar har skapats, som skiljer sig åt i parametrar och tillämpat värde.
Små laserdioder producerar en högkvalitativ stråle av kantstrålning, vars effekt sträcker sig från flera till femhundra milliwatt. Laserdiodkristallen är en tunn rektangulär platta som fungerar som en vågledare, eftersom strålningen är begränsad till ett litet utrymme. Kristallen är dopad på båda sidor för att skapa en p-n-övergång av ett stort område. De polerade ändarna skapar en optisk Fabry-Perot-resonator. En foton som passerar genom resonatorn kommer att orsaka rekombination, strålningen kommer att öka och genereringen börjar. Används i laserpekare, CD- och DVD-spelare och fiberoptisk kommunikation.
Lågeffekt monolitiska lasrar och kvantgeneratorer med en extern resonator för att bilda korta pulser kan producera lägeslåsning.
Lasrarhalvledare med en extern resonator består av en laserdiod, som spelar rollen som ett förstärkande medium i sammansättningen av en större laserresonator. De kan ändra våglängder och har ett sm alt emissionsband.
Injektionshalvledarlasrar har ett emissionsområde 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 som ligger mellan p- och n-skiktet och bildar en dubbel heteroövergång. Det finns ingen mekanism för att hålla ljuset i sidled, vilket resulterar i helljus-ellipticitet och oacceptabelt höga tröskelströmmar.
Kraftfulla diodstänger, bestående av en rad bredbandsdioder, kan producera en stråle av medelmåttig kvalitet med en effekt på tiotals watt.
Kraftfulla tvådimensionella arrayer av dioder kan generera effekt i hundratals och tusentals watt.
Surface emitting lasrar (VCSEL) sänder ut en högkvalitativ ljusstråle med en effekt på flera milliwatt vinkelrätt mot plattan. Resonatorspeglar appliceras på strålningsytan i form av lager med ¼ våglängd med olika brytningsindex. Flera hundra lasrar kan göras på ett enda chip, vilket öppnar för möjligheten till massproduktion.
VECSEL-lasrar med optisk strömförsörjning och en extern resonator kan generera en stråle av god kvalitet med en effekt på flera watt i lägeslåsning.
Funktion av en halvledarlaser kvant-kaskadtyp baseras på övergångar inom zonerna (till skillnad från mellanzoner). Dessa enheter avger i det mellaninfraröda området, ibland i terahertzområdet. De används till exempel som gasanalysatorer.
Halvledarlasrar: tillämpning och huvudaspekter
Kraftfulla diodlasrar med högeffektiv elektrisk pumpning vid måttliga spänningar används som ett sätt att driva högeffektiva halvledarlasrar.
Halvledarlasrar kan arbeta över ett brett frekvensområde, vilket inkluderar de synliga, nära-infraröda och mellaninfraröda delarna av spektrumet. Det har skapats enheter som också låter dig ändra frekvensen för utsläppet.
Laserdioder kan snabbt växla och modulera optisk effekt, vilket kan användas i fiberoptiska sändare.
Sådana egenskaper har gjort halvledarlasrar tekniskt sett till den viktigaste typen av kvantgeneratorer. De gäller:
- i telemetrisensorer, pyrometrar, optiska höjdmätare, avståndsmätare, sevärdheter, holografi;
- i fiberoptiska system för optisk överföring och datalagring, sammanhängande kommunikationssystem;
- i laserskrivare, videoprojektorer, pekare, streckkodsläsare, bildläsare, CD-spelare (DVD, CD, Blu-Ray);
- i säkerhetssystem, kvantkryptering, automation, indikatorer;
- i optisk metrologi och spektroskopi;
- inom kirurgi, tandvård, kosmetologi, terapi;
- för vattenbehandling,materialbearbetning, solid-state laserpumpning, kemisk reaktionskontroll, industriell sortering, industriteknik, tändsystem, luftvärnssystem.
Pulsutgång
De flesta halvledarlasrar genererar en kontinuerlig stråle. På grund av elektronernas korta uppehållstid på ledningsnivån är de inte särskilt lämpade för att generera Q-omkopplade pulser, men det kvasi-kontinuerliga driftsättet tillåter en betydande ökning av kraften hos kvantgeneratorn. Dessutom kan halvledarlasrar användas för att generera ultrakorta pulser med modlåsning eller förstärkningsväxling. Medeleffekten för korta pulser är vanligtvis begränsad till några milliwatt, med undantag för optiskt pumpade VECSEL-lasrar, vars uteffekt mäts av flerwatts pikosekundpulser med en frekvens på tiotals gigahertz.
Modulation och stabilisering
Fördelen med den korta vistelsen för en elektron i ledningsbandet är förmågan hos halvledarlasrar till högfrekvensmodulering, som för VCSEL-lasrar överstiger 10 GHz. Den har funnit tillämpning inom optisk dataöverföring, spektroskopi, laserstabilisering.
