Polprevodniški laserji so kvantni generatorji, ki temeljijo na polprevodniškem aktivnem mediju, v katerem je optično ojačanje ustvarjeno s stimulirano emisijo med kvantnim prehodom med nivoji energije pri visoki koncentraciji nosilcev naboja v prosti coni.
Polprevodniški laser: princip delovanja
V normalnem stanju se večina elektronov nahaja na valentni ravni. Ko fotoni dovajajo energijo, ki presega energijo območja prekinitve, elektroni polprevodnika pridejo v stanje vzbujanja in, ko premagajo prepovedano območje, preidejo v prosto cono in se koncentrirajo na njenem spodnjem robu. Hkrati se luknje, ki nastanejo na valenčni ravni, dvignejo do njene zgornje meje. Elektroni v prosti coni se rekombinirajo z luknjami in v obliki fotonov oddajajo energijo, ki je enaka energiji cone diskontinuitete. Rekombinacijo lahko izboljšajo fotoni z zadostnimi nivoji energije. Številčni opis ustreza Fermijevi porazdelitveni funkciji.
Naprava
Polprevodniška laserska napravaje laserska dioda, ki se črpa z energijo elektronov in lukenj v coni p-n spoja - točki stika polprevodnikov s prevodnostjo p- in n-tipa. Poleg tega obstajajo polprevodniški laserji z optično oskrbo z energijo, pri katerih se žarek tvori z absorbiranjem fotonov svetlobe, pa tudi kvantni kaskadni 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;
- indijev fosfid;
- indijev-galijev arzenid;
- galijev aluminijev arzenid;
- galij-indijev arzenid nitrid;
- galij-indijev fosfid.
valovna dolžina
Te spojine so polprevodniki z direktno režo. Indirektna (silicijeva) svetloba ne oddaja z zadostno močjo in učinkovitostjo. Valovna dolžina sevanja diodnega laserja je odvisna od stopnje približevanja energije fotona energiji cone diskontinuitete določene spojine. V 3- in 4-komponentnih polprevodniških spojinah se lahko energija cone diskontinuitete nenehno spreminja v širokem razponu. Za AlGaAs=AlxGa1-x Ker na primer povečanje vsebnosti aluminija (povečanje x) povzroči povečanje energija cone prekinitve.
Medtem ko najpogostejši polprevodniški laserji delujejo v bližnjem infrardečem območju, nekateri oddajajo rdeče (indijev galijev fosfid), modre ali vijolične (galijev nitrid) barve. Srednje infrardeče sevanje proizvajajo polprevodniški laserji (svinčev selenid) in kvantni kaskadni laserji.
Organski polprevodniki
Poleg zgoraj omenjenih anorganskih spojin lahko uporabimo tudi organske. Ustrezna tehnologija je še v razvoju, vendar njen razvoj obljublja znatno znižanje stroškov proizvodnje kvantnih generatorjev. Do sedaj so bili razviti samo organski laserji z optično energijo, visoko učinkovito električno črpanje pa še ni bilo doseženo.
Sorte
Ustvarjenih je bilo veliko polprevodniških laserjev, ki se razlikujejo po parametrih in uporabljeni vrednosti.
Majhne laserske diode proizvajajo visokokakovosten žarek robnega sevanja, katerega moč se giblje od nekaj do petsto milivatov. Kristal laserske diode je tanka pravokotna plošča, ki služi kot valovod, saj je sevanje omejeno na majhen prostor. Kristal je dopiran na obeh straneh, da se ustvari p-n stičišče velikega območja. Polirani konci ustvarjajo optični Fabry-Perot resonator. Foton, ki prehaja skozi resonator, bo povzročil rekombinacijo, sevanje se bo povečalo in začela se bo generacija. Uporablja se v laserskih kazalcih, predvajalnikih CD in DVD ter komunikacijah z optičnimi vlakni.
Monolitni laserji nizke moči in kvantni generatorji z zunanjim resonatorjem za tvorjenje kratkih impulzov lahko povzročijo zaklepanje načina.
Laserjipolprevodnik z zunanjim resonatorjem sestoji iz laserske diode, ki igra vlogo ojačevalnega medija v sestavi večjega laserskega resonatorja. Sposobne so spreminjati valovne dolžine in imajo ozek emisijski pas.
Injekcioni polprevodniški laserji imajo območje emisije v obliki širokega pasu, lahko ustvarijo nizkokakovosten žarek z močjo nekaj vatov. Sestavljeni so iz tanke aktivne plasti, ki se nahaja med p- in n-plastjo, ki tvori dvojno heterostik. Ni mehanizma za zadrževanje svetlobe v bočni smeri, kar ima za posledico visoko eliptičnost žarka in nesprejemljivo visoke mejne tokove.
Zmogljive diodne palice, sestavljene iz niza širokopasovnih diod, so sposobne proizvesti žarek povprečne kakovosti z močjo deset vatov.
Zmogljivi dvodimenzionalni nizi diod lahko ustvarijo moč v stotinah in tisočih vatov.
Laserji s površinsko oddajanjem (VCSEL) oddajajo visokokakovosten svetlobni žarek z močjo nekaj milivatov pravokotno na ploščo. Resonatorska zrcala se nanesejo na površino sevanja v obliki plasti ¼ valovne dolžine z različnimi lomnimi indeksi. Na enem čipu je mogoče izdelati več sto laserjev, kar odpira možnost množične proizvodnje.
Laserji VECSEL z optičnim napajanjem in zunanjim resonatorjem lahko ustvarijo žarek dobre kakovosti z močjo več vatov pri zaklepanju načina.
Delovanje polprevodniškega laserja kvantnokaskadni tip temelji na prehodih znotraj con (v nasprotju z medconami). Te naprave oddajajo v srednjem infrardečem območju, včasih v območju terahercev. Uporabljajo se na primer kot plinski analizatorji.
polprevodniški laserji: uporaba in glavni vidiki
Zmogljivi diodni laserji z visoko učinkovitim električnim črpanjem pri zmernih napetostih se uporabljajo kot sredstvo za napajanje visoko učinkovitih polprevodniških laserjev.
Polprevodniški laserji lahko delujejo v širokem frekvenčnem območju, ki vključuje vidni, bližnji infrardeči in srednji infrardeči del spektra. Ustvarjene so bile naprave, ki vam omogočajo tudi spreminjanje frekvence oddajanja.
Laserske diode lahko hitro preklapljajo in modulirajo optično moč, ki se uporablja v oddajnikih z optičnimi vlakni.
Takšne lastnosti so naredile polprevodniške laserje tehnološko najpomembnejšo vrsto kvantnih generatorjev. Veljajo:
- v telemetričnih senzorjih, pirometrih, optičnih višinomerih, daljinomerih, merilnikih, holografiji;
- v sistemih optičnih vlaken za optični prenos in shranjevanje podatkov, koherentni komunikacijski sistemi;
- v laserskih tiskalnikih, video projektorjih, kazalcih, skenerjih črtnih kod, skenerjih slik, predvajalnikih CD-jev (DVD, CD, Blu-Ray);
- v varnostnih sistemih, kvantni kriptografiji, avtomatizaciji, indikatorjih;
- v optičnem meroslovju in spektroskopiji;
- v kirurgiji, zobozdravstvu, kozmetologiji, terapiji;
- za obdelavo vode,obdelava materialov, polprevodniško lasersko črpanje, nadzor kemičnih reakcij, industrijsko sortiranje, industrijski inženiring, sistemi za vžig, sistemi zračne obrambe.
Impulzni izhod
Večina polprevodniških laserjev ustvarja neprekinjen žarek. Zaradi kratkega zadrževalnega časa elektronov na nivoju prevodnosti niso zelo primerni za generiranje impulzov s preklopom Q, vendar kvazi neprekinjen način delovanja omogoča znatno povečanje moči kvantnega generatorja. Poleg tega se lahko polprevodniški laserji uporabljajo za ustvarjanje ultrakratkih impulzov z zaklepanjem načina ali preklopom ojačenja. Povprečna moč kratkih impulzov je običajno omejena na nekaj milivatov, z izjemo optično črpanih laserjev VECSEL, katerih moč se meri z večvatnimi pikosekundnimi impulzi s frekvenco desetine gigahercev.
Modulacija in stabilizacija
Prednost kratkega bivanja elektrona v prevodnem pasu je sposobnost polprevodniških laserjev za visokofrekvenčno modulacijo, ki pri VCSEL laserjih presega 10 GHz. Našel je uporabo v optičnem prenosu podatkov, spektroskopiji, laserski stabilizaciji.
