Puslaidininkiniai lazeriai: tipai, įrenginys, veikimo principas, taikymas

Puslaidininkiniai lazeriai yra kvantiniai generatoriai, kurių pagrindas yra puslaidininkio aktyvioji terpė, kurioje optinis stiprinimas generuojamas stimuliuotos spinduliuotės kvantiniu perėjimu tarp energijos lygių esant didelės laisvosios zonos krūvininkų nešiklių koncentracijai.

Puslaidininkinis lazeris: veikimo principas

Paprastoje būsenoje dauguma elektronų yra valentingumo lygyje. Kai fotonai tiekia energiją, viršijančią pertraukos zonos energiją, puslaidininkio elektronai patenka į sužadinimo būseną ir, kirtoja uždraustą zoną, patenka į laisvąją zoną, sutelkiant dėmesį į apatinį kraštą. Tuo pat metu skylės, susidarančios valentingumo lygyje, pakyla iki viršutinės ribos. Elektronai laisvojoje zonoje rekombinuoja su skylėmis, kurios išskiria energiją, kuri yra lygi pertraukos zonos energijai fotonų forma. Rekombinaciją gali sustiprinti fotonai su pakankamu energijos lygiu. Skaitinis aprašymas atitinka Fermi paskirstymo funkciją.

Įrenginys

Puslaidininkinis lazerinis prietaisas yra lazerinis diodas, kuris yra pumpuojamas elektronų ir skylių energija pn-jungties zonoje - puslaidininkių sąlyčio tašku su p- ir n-tipo laidumu. Be to, yra puslaidininkių lazerių su optiniu energijos tiekimu, kurių šviesą formuoja šviesos fotonų sugertis, taip pat kvantiniai kaskadiniai lazeriai, kurių veikimas pagrįstas perėjimais juostose.

Kompozicija

Standartinės jungtys, naudojamos tiek puslaidininkių lazeriuose, tiek kitose optoelektroninėse sistemose, yra tokie:

• Gallium arsenide;
• Gallium fosfidas;
• Galio nitridas;
• Indio fosfidas;
• Indio galio arsenidas;
• Aliuminio-galio arsenidas;
• Arsenido-nitrido gallija-indis;
• Gallium-Indio fosfidas.

Bangos ilgis

Šie junginiai yra tiesioginio spindulio puslaidininkiai. Netiesioginė (silicio) šviesa, kurios stiprumas ir efektyvumas nėra spinduliuojamos. Diodo lazerio spinduliuotės bangos ilgis priklauso nuo fotonų energijos apykaitos laipsnio tam tikro junginio plyšimo zonos energijos. Puslaidininkių 3- ir 4-komponentų junginiuose pertraukos zonos energija gali nuolat keistis įvairiais būdais. Pavyzdžiui, AlGaAs = Al _x Ga _1-x As, padidinus aliuminio kiekį (x padidėjimas), padidėja pertraukos zonos energija.

Nors labiausiai paplitę puslaidininkiniai lazeriai veikia spektro šalia IR dalyje, kai kurie iš jų išskiria raudoną (galio-indžio fosfido), mėlyną ar violetinį (galio nitridą) spalvą. Vidutinė infraraudonoji spinduliuotė yra pagaminta puslaidininkių lazerių (švino selenido) ir kvantinių kaskadinių lazerių.

Organiniai puslaidininkiai

Be minėtų neorganinių junginių, taip pat galima naudoti organinius. Atitinkama technologija vis dar kuriama, tačiau jos kūrimas žada žymiai sumažinti kvantinių generatorių gamybos sąnaudas. Iki šiol buvo sukurti tik organiniai lazeriai su optiniu energijos tiekimu, o labai efektyvus elektros siurbimas dar nebuvo pasiektas.

Veislės

Sukurta daug puslaidininkinių lazerių, skirtų pagal parametrus ir taikymo vertę.

Maži lazeriniai diodai gamina kokybišką veidų spinduliavimo spinduliuotę, kurios galia svyruoja nuo kelių iki penkių milijatvatų. Lazerinis diodinis kristalas yra plona stačiakampio plokštelė, kuri naudojama kaip bangolaidis, nes spinduliuotė yra tik nedidelė erdvė. Iš abiejų pusių kristalas yra leistinas, kad sukurtų didelės srities pn sankryžą. Poliruoti galai sukuria optinį Fabry-Perot rezonatorių. Fotonas, praeinantis per rezonatorių, sukels rekombinaciją, spinduliavimas padidės, o generavimas prasidės. Jie naudojami lazerio rodyklėse, CD ir DVD grotuvuose, taip pat skaidulinės optikos ryšiu.

Mažos galios monolitiniai lazeriai ir kvantiniai generatoriai su išorine ertmėje, kad susidarytų trumpi impulsai, gali pagaminti sinchronizavimą režimu.

Puslaidininkiniai lazeriai su išoriniu rezonatoriumi susideda iš lazerio diodo, kuris vaidina stiprinamosios terpės vaidmenį didesnės lazerinės ertmės sudėtyje. Jie gali keisti bangos ilgius ir turėti siauruosius radiacijos spindulius.

Įpurškimo puslaidininkiniai lazeriai turi plačiajuosčio spindulio spinduliuotę, jie gali generuoti mažos kokybės šviesą, galios keletą vatų. Jie susideda iš plono veikiamo sluoksnio, esančio tarp p- ir n-sluoksnių, sudarančių dvigubą heterociklą. Šviesos uždarymo mechanizmas šoninėje kryptyje nėra, o tai lemia didelės spindulių elipses ir nepriimtinai didelių slenksnių srovių.

Galingi diodų rinkiniai, sudaryti iš daugelio plačiajuosčio ryšio diodų, gali pagaminti vidutinišką siją su dešimtimis vatų.

Galingi du matmenys diodai gali generuoti energiją šimtais ir tūkstančiais vatų.

Paviršiaus spinduliuojantys lazeriai (VCSEL) išskiria kokybišką šviesos spindulį, kuris yra keletą milivatų statmenai plokštelei. Spinduliuotės paviršiuje rezonatoriaus veidrodžiai yra padengti sluoksniais, sudarantys vieną ketvirtadalį bangos bangos su skirtingais lūžio rodikliais. Vienkristalis gali pagaminti kelis šimtus lazerių, o tai atveria jų masinę gamybą.

"VECSEL" lazeriai su optiniu maitinimo šaltiniu ir išoriniu rezonatoriumi gali generuoti geros kokybės šviesą, kurio galia yra keletą vatų režimo sinchronizavimo metu.

Kvantinės-kaskados tipo puslaidininkinių lazerių darbas grindžiamas perėjimais viduje zonose (skirtingai nuo tarpdangentinių). Šie prietaisai išsiskleidžia infraraudonųjų spektro dalies viduryje, kartais terahercų diapazone. Jie naudojami, pavyzdžiui, kaip dujų analizatoriai.

Puslaidininkiniai lazeriai: taikymas ir pagrindiniai aspektai

Galingi dyzeliniai lazeriai su didelio našumo elektros siurbimu vidutinio įtampos metu yra naudojami kaip energijos tiekimo į didelės talpos kieto kūno lazerius priemonė.

Puslaidininkiniai lazeriai gali veikti plačiu dažnių diapazonu, įskaitant matomą, artimiausio infraraudonųjų spindulių ir vidutinį infraraudonųjų spindulių spektro dalį. Sukurtas įrenginys, kuris taip pat leidžia keisti sprogimo dažnumą.

Lazeriniai diodai gali greitai perjungti ir moduliuoti optinę galią, kuri aptinkama pluošto optinių ryšio linijų siųstuvuose.

Tokios savybės pagamino puslaidininkinius lazerius technologiškai svarbiausiu kvantinių generatorių tipu. Jie taikomi:

• Telemetrijos jutikliuose, pirometruose, optiniuose aukštumetruose, diapazono ieškikliuose, lankomose vietose, holografijoje;
• Optinių skaidulų optinio perdavimo ir duomenų saugojimo sistemose, nuoseklaus ryšio sistemose;
• Lazeriniams spausdintuvams, vaizdo projektoriams, rodyklėms, brūkšninių kodų skaitytuvams, vaizdo skaitytuvams, CD grotuvams (DVD, CD, Blu-Ray);
• Apsaugos sistemose, kvantinė kriptografija, automatika, rodikliai;
• Optinėje metrologijoje ir spektroskopijoje;
• Chirurgijoje, odontologijoje, kosmetologijoje, terapijoje;
• Vandens valymui, medžiagų apdirbimui, kietojo kūno lazerių siurbimui, cheminių reakcijų kontrolei, pramoniniam rūšiavimui, pramoninei inžinerijai, uždegimo sistemoms, oro gynybos sistemoms.

Impulsų išvestis

Dauguma puslaidininkinių lazerių generuoja nuolatinę siją. Dėl trumpalaikio elektronų lieka laidumo lygiu, jie nėra labai tinkami generuoti impulsus su Q-perjungimu, tačiau beveik tęstinis veikimo režimas leidžia žymiai padidinti kvantinio generatoriaus galią. Be to, puslaidininkiniai lazeriai gali būti naudojami generuojant ultrashort impulsus su režimu sinchronizuojant arba įjungiant perjungimą. Trumpųjų impulsų vidutinė galia dažniausiai yra ribojama iki kelių milivatų, išskyrus "VECSEL" lazerius su optiniu siurbliu, kurių išėjimas matuojamas dešimčių gigai įtampos dažniais, kurių ilgis yra kelių vatų pikosekundes.

Moduliavimas ir stabilizavimas

Trumpalaikio elektrono pralaidumas laidumo juostoje yra puslaidininkinių lazerių gebėjimas atlikti aukšto dažnio moduliavimą, kuris VCSEL lazeriuose viršija 10 GHz. Tai nustatė taikymą optiniuose duomenų perdavimo, spektroskopijos ir lazerių stabilizavimui.