Lasere semiconductoare: tipuri, dispozitiv, principiu de funcționare, aplicare

Laserele cu semiconductori sunt generatoare cuantice mediu activ semiconductor pe bază, în care amplificarea optică prin emisie stimulată este creată la tranziția dintre nivelele energetice cuantice la o concentrație mare de purtători de sarcină liberi în zonă.

Semiconductor laser: principiul de funcționare

În starea obișnuită, majoritatea electronilor sunt localizați la nivelul valenței. În timpul energiei fotonice abordare care depășește decalajul banda de energie, un semiconductor, electronii intră în starea de excitație și de rupere zona interzisă, se deplasează într-o zonă liberă, concentrându-se la marginea inferioară. În același timp, găurile formate la nivelul valenței se ridică la limita superioară. Electronii din zona liberă recombina cu găuri, care radiază energie egală cu energia zonei de rupere, sub forma de fotoni. Recombinarea poate fi amplificată de fotoni cu un nivel suficient de energie. Descrierea numerică corespunde funcției de distribuție Fermi.

dispozitiv

Dispozitivul laser cu semiconductor este a diodă laser, pompată de energia electronilor și găurilor din regiunea joncțiunii pn - punctul de contact al semiconductorilor cu conductivitate de tip p și n. Mai mult, există lasere semiconductoare cu aport de energie optică în care fasciculul este format prin absorbția fotonilor de lasere în cascadă de lumină și cuantice, care se bazează pe tranzițiile în cadrul zonelor.

structură

Conexiunile standard utilizate în ambele lasere cu semiconductoare și alte dispozitive optoelectronice sunt după cum urmează:

• arsenid galiu;
• fosfură de galiu;
• galiu;
• fosfură de indiu;
• arsenid de galiu;
• arsenid de aluminiu-galiu;
• arsenid-nitrura galiu-indiu;
• fosfură de galiu-indiu.

lungime de undă

Acești compuși sunt semiconductori cu decalaj direct. Lumina indirectă (siliciu) cu o putere și o eficiență suficientă nu emită. Radiație lungime de undă cu diodă laser depinde de gradul de aproximare a energiei fotonice la energia zonei de ruptură a unui anumit compus. În compușii semiconductori cu trei și patru componente, energia zonei de discontinuitate poate varia continuu pe o gamă largă. În AlGaAs = Al_xGa_1-xDe exemplu, o creștere a conținutului de aluminiu (o creștere în x) duce la o creștere a energiei zonei de discontinuitate.

In timp ce cele mai comune lasere semiconductoare funcționează în partea infraroșu apropiat al spectrului, unele emit culorile roșu (galiu indiu fosfură), albastru sau violet (galiu de nitruri). Radiația infraroșu medie este produsă de lasere semiconductoare (seleniu de plumb) și lasere cu cascadă cuantică.

Organice semiconductoare

În plus față de compușii anorganici de mai sus, pot fi utilizați și organici. Tehnologia corespunzătoare este încă în curs de dezvoltare, însă dezvoltarea sa promite reducerea semnificativă a costului generării de generatoare cuantice. Până în prezent au fost dezvoltate doar lasere organice cu alimentare optică și nu a fost încă realizată o pompare electrică foarte eficientă.

specie

Se creează o mulțime de lasere semiconductoare, care diferă în parametrii și valoarea aplicației.

Micile diode laser produc un fascicul de înaltă calitate a radiației feței, a cărui putere variază de la câteva la cinci sute milliwați. Cristalul cu diodă laser este o placă subțire dreptunghiulară care servește ca un ghid de undă, deoarece radiația este limitată la un spațiu mic. Cristalul este dopat pe ambele părți pentru a crea o joncțiune p-n de suprafață mare. Muchiile lustruite creează un rezonator optic Fabry-Perot. Fotonul, care trece prin rezonator, va provoca recombinarea, radiația va crește și generația va începe. Acestea sunt folosite la pointeri laser, CD-uri și DVD-playere, precum și la comunicarea cu fibră optică.

Laserele monolitice cu putere mică și generatoarele cuantice cu o cavitate externă pentru a forma impulsuri scurte pot produce sincronizarea modului.

Laserele semiconductoare cu un rezonator extern constau dintr-o diodă laser, care joacă rolul unui mediu de amplificare în compoziția unei cavități laser mai mari. Ele pot schimba lungimile de undă și au o bandă îngustă de radiații.

Injectiile cu laser cu semiconductor au o regiune de radiatie sub forma unei benzi largi, care pot genera un fascicul de calitate scazuta cu o putere de cateva watti. Acestea constau dintr-un strat activ subțire situat între straturile p și n, formând o heterojuncțiune dublă. Mecanismul de închidere a luminii în direcția laterală este absent, ceea ce duce la o elipticitate cu fascicul larg și la curenți de prag inacceptabil de mari.

Seturile de diode puternice, formate dintr-o serie de diode de bandă largă, sunt capabile să producă un fascicul mediocru cu o putere de zeci de watți.

Seturile puternice de diode bidimensionale pot genera energie în sute și mii de wați.

Eșantioanele cu emițătoare de suprafață (VCSEL) emit un fascicul calitativ de lumină de câteva milliwați perpendicular pe placă. Pe suprafața radiațiilor, oglinzile de rezonator sunt plasate sub formă de straturi în frac14-din valuri cu diferite indicii de refracție. Un singur cristal poate produce câteva sute de lasere, ceea ce deschide posibilitatea producerii lor în masă.

Vazele VECSEL cu o sursă de alimentare optică și un rezonator extern sunt capabile să genereze un fascicul de bună calitate cu o putere de câteva wați în timpul sincronizării modului.

Lucrarea unui laser semiconductor cu cascadă cuantică se bazează pe tranziții în interiorul zonelor (spre deosebire de cele interbandice). Aceste dispozitive emit în mijlocul părții infraroșii a spectrului, uneori în gama terahertz. Ele sunt folosite, de exemplu, ca analizoare de gaze.

semiconductoare lasere: aplicație și principalele aspecte

Lămpile cu diode puternice cu pompare electrică de înaltă eficiență la tensiuni moderate sunt utilizate ca mijloace de intrare a energiei pentru un randament foarte eficient lasere cu stare solidă.

Laserele cu semiconductor pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe, care include partea vizibilă, apropiată de infraroșu și partea intermediară a spectrului. Sunt create dispozitive care vă permit de asemenea să modificați frecvența izbucnirii.

Diodele laser pot comuta și modula rapid puterea optică, care se găsește în transmițătoarele liniilor de fibră optică.

Astfel de caracteristici au făcut ca laserele semiconductoare să fie cele mai importante din punct de vedere tehnologic ale generatoarelor cuantice. Acestea sunt aplicate:

• în senzori de telemetrie, pyrometre, altimetre optice, aparate de măsurare a distanței, obiective turistice, holografie;
• în sistemele de fibră optică de transmisie și stocare de date optice, sisteme de comunicare coerentă;
• în imprimante laser, videoproiectoare, indicatoare, scanere de coduri de bare, scanere de imagini, playere CD (DVD, CD, Blu-Ray);
• în sisteme de securitate, criptografie cuantică, automatizări, indicatori;
• în metrologie optică și spectroscopie;
• în chirurgie, stomatologie, cosmetologie, terapie;
• pentru tratarea apei, prelucrarea materialelor, pomparea laserelor de stare solidă, controlul reacției chimice, sortarea industrială, ingineria industrială, sistemele de aprindere, sistemele de apărare aeriană.

Impulsul de ieșire

Cele mai multe lasere cu semiconductoare generează un fascicul continuu. Din cauza timpului scurt de staționare a electronilor în nivelul de conducere nu sunt foarte potrivite pentru generarea unui Q-switched impulsuri, dar modul de cvasi-continuu de funcționare poate crește în mod semnificativ puterea generatorului cuantic. În plus, laserele cu semiconductoare pot fi folosite pentru a forma impulsuri ultrascurte cu sincronizare de mod sau câștig de comutare. putere medie impulsuri scurte, limitate de obicei la câteva milliwatts cu excepția laserelor pompat optic VECSEL, care de ieșire putere măsurate impulsuri picosecunde cu o frecvență de ordinul zecilor de gigahertzi.

Modularea și stabilizarea

Avantajul stării electronice pe termen scurt în banda de conducție este abilitatea laserelor semiconductoare la o modulare de înaltă frecvență, care în laserele VCSEL depășește 10 GHz. Aceasta a găsit aplicații în transmisia optică de date, spectroscopie și stabilizarea laserelor.