Полупроводникови лазери: видове, устройство, принцип на работа, приложение

Полупроводникови лазери са квантови генератори базирани полупроводникови активна среда, където оптичната амплификация чрез стимулирано излъчване се създава при прехода между квантовата енергийните нива при висока концентрация на свободни носители зареждане в областта.

Полупроводников лазер: принципът на работа

В обикновеното състояние повечето електрони се намират на нивото на валентността. По време на подход фотонна енергия надвишава разликата енергия банда, полупроводници, електроните са в състояние на възбуда, и нарушаване на забранена зона, движещи се в свободна зона, концентрирайки се в долния си край. В същото време дупките, образувани при нивото на валентност, се издигат до горната граница. Електроните в свободната зона се рекомбинират с дупки, излъчващи енергия, равна на енергията на зоната на прекъсване, под формата на фотони. Рекомбинацията може да бъде усилена от фотони с достатъчно ниво на енергия. Численото описание съответства на функцията за разпределение на Fermi.

приспособление

Полупроводниковото лазерно устройство е a лазер диод, изпомпвано от енергията на електрони и дупки в областта на свързването на ПН - точката на контакт на полупроводници с проводимост тип р и n. В допълнение, има полупроводникови лазери с оптично захранване, в които гредите се образуват чрез абсорбиране на светлинни фотони, както и квантови каскадни лазери, чиято операция се основава на преходи в рамките на лентите.

структура

Стандартните връзки, използвани както в полупроводникови лазери, така и в други оптоелектронни устройства, са както следва:

• галиев арсенид;
• галиев фосфид;
• гатриев нитрид;
• индийски фосфид;
• иний галиев арсенид;
• арсенид от алуминий-галий;
• арсенид-нитрид галий-индий;
• галиев-индиев фосфид.

дължина на вълната

Тези съединения са полупроводници с директно отсъствие. Индиректна (силициева) светлина с достатъчна якост и ефективност не излъчва. Дължина на вълната на излъчване диоден лазер зависи от степента на сближаване на фотонната енергия с енергията на зоната на разкъсване на дадено съединение. В 3- и 4-компонентните съединения на полупроводниците енергията на зоната на прекъсване може да варира непрекъснато в широк диапазон. В AlGaAs = Al_хGa_1-хТъй като например увеличаването на съдържанието на алуминий (увеличение в х) води до увеличаване на енергията в зоната на прекъсване.

Докато най-честите полупроводникови лазери работят в близката инфрачервена част на спектъра, някои излъчват червени (галий индий фосфид), синьо или лилаво (галиев нитрид) цветове. Средното инфрачервено лъчение се получава от полупроводникови лазери (оленов селенид) и квантови каскадни лазери.

Органични полупроводници

В допълнение към горните неорганични съединения могат да се използват и органични. Съответната технология все още се развива, но нейното развитие обещава да намали значително разходите за производство на квантови генератори. Досега са разработени само органични лазери с оптично енергоснабдяване и все още не е постигнато високоефективно електрическо изпомпване.

вид

Създават се много полупроводникови лазери, които се различават по параметри и стойност на приложението.

Малките лазерни диоди произвеждат висококачествен лъч на лицевата радиация, чиято мощност варира от няколко до петстотин milliwatts. Лазерният диоден кристал е тънка правоъгълна плоча, която служи като вълновод, тъй като лъчението е ограничено до малко пространство. Кристалът се допира и от двете страни, за да се създаде голяма част от площадката p-n. Полираните краища създават оптичен резонатор Fabry-Perot. Фотонът, преминаващ през резонатора, ще доведе до рекомбинация, радиацията ще се увеличи и ще започне генерирането. Те се използват в лазерни указатели, CD и DVD плейъри, както и в оптична комуникация.

Монолитните лазери с ниска мощност и квантовите генератори с външна кухина за формиране на къси импулси могат да генерират синхронизация на режима.

полупроводникови лазери с външен кухина състои от лазерен диод, който играе роля в състава на печалба среда повече лазерно резонатор. Те са в състояние да променят дължините на вълните и да имат тясна лента на радиация.

лазери инжектиране са полупроводникови област на радиация в широк обхват, може да генерира ниско качество лъч мощност на няколко вата. Те се състоят от тънък активен слой, разположен между п и n слоевете, образувайки двойна хетероункция. Механизмът на раждане на светлина в напречна посока е липсващ, което води до високо елиптичност лъч и неприемливо високи прагови токове.

Мощни диодни масиви, състоящи се от множество диоди, широколентов достъп, даващ възможност за лъч на посредствен качество на електрическата енергия на десетки вата.

Мощни двуизмерни масиви от диоди могат да генерират енергия в стотици и хиляди ватове.

Лазерите, излъчващи повърхност (VCSEL), излъчват качествен светлинен лъч няколко милиута перпендикулярни на плочата. На радиационната повърхност резонаторните огледала се поставят под формата на слоеве в frac14-din вълни с различни индекси на пречупване. Единичен кристал може да произведе няколкостотин лазера, което отваря възможността за тяхното масово производство.

С VECSEL лазери оптичен вход енергия и външен резонатор може да генерира лъч добро качество мощност от няколко вата при заключване режим.

Работата на квантово-каскаден тип полупроводников лазер се основава на преходи в зоните (за разлика от тези на интер-лентовите). Тези устройства излъчват в средата на инфрачервената част на спектъра, понякога в обхвата на терахерца. Те се използват например като газови анализатори.

полупроводник лазери: приложение и основните аспекти

Мощни диодни лазери с високоефективна електрическа помпа при умерено напрежение се използват като средства за въвеждане на енергия за високоефективни твърдотелни лазери.

Полупроводниковите лазери могат да работят в широк честотен диапазон, който включва видимата, близката инфрачервена и средната инфрачервена част на спектъра. Създават се устройства, които също ви позволяват да промените честотата на избухването.

Лазерните диоди могат бързо да превключват и модулират оптичната мощност, която намира приложение в предаватели на оптични комуникационни линии.

Такива характеристики са направили полупроводниковите лазери най-технологично важен тип квантови генератори. Те се прилагат:

• в телеметрични сензори, пирометри, оптични висотомери, намиране на обхват, гледки, холография;
• в системи от оптични влакна за оптично предаване и съхранение на данни, системи за последователна комуникация;
• в лазерни принтери, видеопроектори, указатели, скенери за баркодове, скенери за изображения, CD плейъри (DVD, CD, Blu-Ray);
• в системи за сигурност, квантова криптография, автоматизация, индикатори;
• в оптичната метрология и спектроскопия;
• в хирургия, стоматология, козметология, терапия;
• за обработка на вода, обработка на материали, изпомпване на лазери в твърдо състояние, контрол на химичните реакции, промишлено сортиране, индустриално инженерство, системи за запалване, системи за противовъздушна отбрана.

Импулсен изход

Повечето полупроводникови лазери генерират непрекъснат лъч. Поради краткото време за пребиваване на електроните в нивото на проводимост те не са много подходящи за генериране на Q-прекъсвачи импулси, но квази-непрекъснат режим на работа може значително да увеличи квантов генератор на енергия. В допълнение, полупроводниковите лазери могат да се използват за формиране на ултразвукови импулси със синхронизация на режима или превключване. Средна мощност кратки импулси, обикновено ограничават до няколко миливата освен VECSEL-оптично изпомпва лазери, които изходна мощност измерени пикосекундни импулси с честота в десетки гигахерца.

Модулация и стабилизация

Предимството на краткотрайното електронен престой в проводимата ивица е способността на полупроводниковите лазери да достигат високочестотна модулация, която при лазерите на VCSEL надвишава 10 GHz. Това е намерило приложение при оптичното предаване на данни, спектроскопията и стабилизирането на лазерите.