A félvezető lézerek olyan kvantumgenerátorok, amelyek félvezető aktív közegen alapulnak, és amelyben az optikai erősítést stimulált emisszió hozza létre az energiaszintek közötti kvantumátmenet során a töltéshordozók nagy koncentrációja mellett a szabad zónában.
Félvezető lézer: működési elv
Normál állapotban a legtöbb elektron a vegyértékszinten helyezkedik el. Amikor a fotonok a folytonossági zóna energiáját meghaladó energiát szolgáltatnak, a félvezető elektronjai gerjesztési állapotba kerülnek, és a tiltott zónát leküzdve a szabad zónába kerülnek, annak alsó szélére koncentrálva. Ezzel egyidejűleg a vegyértékszinten kialakult lyukak a felső határáig emelkednek. A szabad zónában lévő elektronok lyukakkal egyesülnek, és a folytonossági zóna energiájával megegyező energiát sugároznak ki fotonok formájában. A rekombináció megfelelő energiaszintű fotonokkal fokozható. A numerikus leírás a Fermi-eloszlási függvénynek felel meg.
Eszköz
Félvezető lézereszközegy lézerdióda, amelyet elektronok és lyukak energiájával pumpálnak a p-n átmeneti zónában - a p- és n-típusú vezetőképességű félvezetők érintkezési pontjában. Ezen kívül léteznek optikai energiaellátású félvezető lézerek, amelyekben a nyaláb a fény fotonjainak elnyelésével jön létre, valamint a kvantumkaszkád lézerek, amelyek működése a sávokon belüli átmeneteken alapul.
Összetétel
A félvezető lézerekben és más optoelektronikai eszközökben használt szabványos csatlakozások a következők:
- gallium-arzenid;
- gallium-foszfid;
- gallium-nitrid;
- indium-foszfid;
- indium-gallium-arzenid;
- gallium-alumínium-arzenid;
- gallium-indium-arzenid-nitrid;
- gallium-indium-foszfid.
Hullámhossz
Ezek a vegyületek közvetlen hézagú félvezetők. A közvetett résű (szilícium) fény nem bocsát ki kellő erősséggel és hatékonysággal. A dióda lézersugárzás hullámhossza attól függ, hogy a foton energiája milyen mértékben közelít egy adott vegyület folytonossági zónájának energiájához. A 3 és 4 komponensű félvezető vegyületekben a folytonossági zóna energiája széles tartományban folyamatosan változhat. AlGaAs=AlxGa1-xAhogy például az alumíniumtartalom növekedése (x növekedése) az alumíniumtartalom növekedését eredményezi. a folytonossági zóna energiája.
Míg a leggyakoribb félvezető lézerek a közeli infravörösben működnek, egyesek vörös (indium-gallium-foszfid), kék vagy lila (gallium-nitrid) színeket bocsátanak ki. A középső infravörös sugárzást félvezető lézerek (ólom-szelenid) és kvantumkaszkád lézerek állítják elő.
Szerves félvezetők
A fent említett szervetlen vegyületeken kívül szerves vegyületek is használhatók. A megfelelő technológia még fejlesztés alatt áll, de fejlesztése a kvantumgenerátorok előállítási költségeinek jelentős csökkentését ígéri. Eddig csak optikai energiaellátással rendelkező szerves lézereket fejlesztettek ki, és a rendkívül hatékony elektromos szivattyúzást még nem sikerült elérni.
fajták
Sok félvezető lézert hoztak létre, amelyek paramétereikben és alkalmazott értékükben különböznek.
A kisméretű lézerdiódák kiváló minőségű élsugárzást bocsátanak ki, amelynek teljesítménye több és ötszáz milliwatt között mozog. A lézerdióda kristály egy vékony téglalap alakú lemez, amely hullámvezetőként szolgál, mivel a sugárzás kis helyre korlátozódik. A kristály mindkét oldalán adalékolt, így nagy területen p-n csomópont jön létre. A polírozott végek optikai Fabry-Perot rezonátort hoznak létre. A rezonátoron áthaladó foton rekombinációt okoz, a sugárzás megnövekszik, és megindul a generáció. Lézermutatókban, CD- és DVD-lejátszókban, valamint száloptikai kommunikációban használatos.
A kis teljesítményű monolitikus lézerek és kvantumgenerátorok, amelyek külső rezonátorral rövid impulzusokat hoznak létre, mód-lezárást eredményezhetnek.
LézerekA külső rezonátorral ellátott félvezető egy lézerdiódából áll, amely erősítő közeg szerepét tölti be egy nagyobb lézerrezonátor összetételében. Képesek a hullámhossz megváltoztatására, és szűk emissziós sávjuk van.
A befecskendező félvezető lézerek emissziós tartománya széles sáv formájában van, és több watt teljesítményű gyenge minőségű sugarat tudnak generálni. A p- és az n-réteg között elhelyezkedő vékony aktív rétegből állnak, kettős heterojunkciót alkotva. Nincs olyan mechanizmus, amely a fényt oldalirányban tartaná, ami nagy fénynyaláb ellipticitását és elfogadhatatlanul magas küszöbáramokat eredményez.
A széles sávú diódák sorából álló, nagy teljesítményű dióda rudak képesek közepes minőségű, több tíz watt teljesítményű sugár előállítására.
A nagy teljesítményű, kétdimenziós diódatömbök több száz és több ezer watt teljesítményt képesek generálni.
A felületkibocsátó lézerek (VCSEL-ek) a lemezre merőlegesen több milliwatt teljesítményű, kiváló minőségű fénysugarat bocsátanak ki. A sugárzási felületen ¼ hullámhosszúságú, különböző törésmutatójú rétegek formájában rezonátortükröket alkalmaznak. Több száz lézer készíthető egyetlen chipen, ami megnyitja a tömeggyártás lehetőségét.
Az optikai tápegységgel és külső rezonátorral ellátott VECSEL lézerek jó minőségű, több watt teljesítménnyel rendelkező nyalábot képesek előállítani üzemmódrögzítés közben.
A félvezető lézer működése kvantum-A kaszkád típus a zónákon belüli átmeneteken alapul (szemben az interzone-okkal). Ezek az eszközök a középső infravörös tartományban bocsátanak ki, néha a terahertz tartományban. Például gázelemzőként használják őket.
Félvezető lézerek: alkalmazás és fő szempontok
Erőteljes, közepes feszültségű, nagy hatásfokú elektromos szivattyúzással rendelkező diódalézereket használnak a nagy hatásfokú szilárdtestlézerek táplálására.
A félvezető lézerek széles frekvenciatartományban működhetnek, amely magában foglalja a spektrum látható, közeli infravörös és középső infravörös részét. Olyan eszközöket hoztak létre, amelyek lehetővé teszik a kibocsátás frekvenciájának megváltoztatását is.
A lézerdiódák képesek gyorsan váltani és modulálni az optikai teljesítményt, ami a száloptikai adókban is alkalmazható.
Ezek a jellemzők a félvezető lézereket technológiailag a kvantumgenerátorok legfontosabb típusává tették. Érvényesek:
- telemetriai érzékelőkben, pirométerekben, optikai magasságmérőkben, távolságmérőkben, irányzékokban, holográfiában;
- optikai átviteli és adattárolási száloptikai rendszerekben, koherens kommunikációs rendszerekben;
- lézernyomtatókban, videoprojektorokban, mutatókban, vonalkód-leolvasókban, képolvasókban, CD-lejátszókban (DVD, CD, Blu-Ray);
- biztonsági rendszerekben, kvantumkriptográfia, automatizálás, indikátorok;
- az optikai metrológiában és spektroszkópiában;
- a sebészetben, fogászatban, kozmetológiában, terápiában;
- vízkezeléshez,anyagfeldolgozás, szilárdtest lézeres szivattyúzás, kémiai reakció szabályozás, ipari válogatás, ipari tervezés, gyújtásrendszerek, légvédelmi rendszerek.
Impulzuskimenet
A legtöbb félvezető lézer folyamatos sugarat generál. Az elektronok vezetési szinten való rövid tartózkodási ideje miatt nem nagyon alkalmasak Q-kapcsolt impulzusok generálására, de a kvázi-folyamatos üzemmód lehetővé teszi a kvantumgenerátor teljesítményének jelentős növelését. Ezen túlmenően, a félvezető lézerek ultrarövid impulzusok generálására használhatók üzemmódzárral vagy erősítésváltással. A rövid impulzusok átlagos teljesítménye általában néhány milliwattra korlátozódik, kivéve az optikailag pumpált VECSEL lézereket, amelyek teljesítményét több wattos pikoszekundumos impulzusok mérik, több tíz gigahertz frekvenciával.
Moduláció és stabilizálás
Az elektron vezetési sávban való rövid tartózkodásának előnye, hogy a félvezető lézerek képesek nagyfrekvenciás modulációra, amely a VCSEL lézereknél meghaladja a 10 GHz-et. Optikai adatátvitelben, spektroszkópiában, lézeres stabilizálásban alkalmazták.
