Poluvodički laseri su kvantni generatori bazirani na poluvodičkom aktivnom mediju u kojem se optičko pojačanje stvara stimuliranom emisijom tijekom kvantnog prijelaza između energetskih razina pri visokoj koncentraciji nositelja naboja u slobodnoj zoni.
Poluvodički laser: princip rada
U normalnom stanju, većina elektrona nalazi se na razini valencije. Kada fotoni daju energiju koja premašuje energiju zone diskontinuiteta, elektroni poluvodiča dolaze u stanje pobuđenosti i, nakon što prevladaju zabranjenu zonu, prelaze u slobodnu zonu, koncentrirajući se na njezin donji rub. Istovremeno, rupe nastale na valentnoj razini dižu se do njezine gornje granice. Elektroni u slobodnoj zoni rekombiniraju se s rupama, zračeći energiju jednaku energiji zone diskontinuiteta u obliku fotona. Rekombinacija se može poboljšati fotonima s dovoljnom razinom energije. Numerički opis odgovara Fermijevoj distribucijskoj funkciji.
uređaj
Poluvodički laserski uređajje laserska dioda pumpana energijom elektrona i rupa u zoni p-n-spoja - točki kontakta poluvodiča s p- i n-tipom vodljivosti. Osim toga, postoje poluvodički laseri s optičkim napajanjem, u kojima se snop formira apsorbiranjem fotona svjetlosti, kao i kvantni kaskadni laseri, čiji se rad temelji na prijelazima unutar pojaseva.
Sastav
Standardne veze koje se koriste u poluvodičkim laserima i drugim optoelektronskim uređajima su sljedeće:
- galijev arsenid;
- galijev fosfid;
- galijev nitrid;
- indijev fosfid;
- indij-galij arsenid;
- galij aluminij arsenid;
- galij-indijev arsenid nitrid;
- galij-indijev fosfid.
valna duljina
Ovi spojevi su poluvodiči s izravnim razmakom. Svjetlo s neizravnim razmakom (silikonsko) ne emitira dovoljno snage i učinkovitosti. Valna duljina zračenja diodnog lasera ovisi o stupnju aproksimacije energije fotona energiji zone diskontinuiteta određenog spoja. U 3- i 4-komponentnim poluvodičkim spojevima energija zone diskontinuiteta može kontinuirano varirati u širokom rasponu. Za AlGaAs=AlxGa1-xKao što, na primjer, povećanje sadržaja aluminija (povećanje x) rezultira povećanjem energija zone diskontinuiteta.
Dok najčešći poluvodički laseri rade u bliskom infracrvenom području, neki emitiraju crvenu (indij galij fosfid), plavu ili ljubičastu (galijev nitrid) boje. Srednje infracrveno zračenje proizvode poluvodički laseri (olovni selenid) i kvantni kaskadni laseri.
Organski poluvodiči
Osim gore navedenih anorganskih spojeva, mogu se koristiti i organski. Odgovarajuća tehnologija je još uvijek u razvoju, ali njezin razvoj obećava značajno smanjenje troškova proizvodnje kvantnih generatora. Do sada su razvijeni samo organski laseri s opskrbom optičkom energijom, a visoko učinkovito električno pumpanje još nije postignuto.
Varieties
Stvoreni su mnogi poluvodički laseri koji se razlikuju po parametrima i primijenjenoj vrijednosti.
Male laserske diode proizvode visokokvalitetni snop rubnog zračenja, čija se snaga kreće od nekoliko do petsto milivata. Kristal laserske diode je tanka pravokutna ploča koja služi kao valovod, budući da je zračenje ograničeno na mali prostor. Kristal je dopiran s obje strane kako bi se stvorio p-n spoj velike površine. Polirani krajevi stvaraju optički Fabry-Perot rezonator. Foton koji prolazi kroz rezonator će izazvati rekombinaciju, zračenje će se povećati i generiranje će početi. Koristi se u laserskim pokazivačima, CD i DVD playerima i komunikacijama s optičkim vlaknima.
Monolitni laseri male snage i kvantni generatori s vanjskim rezonatorom za formiranje kratkih impulsa mogu proizvesti zaključavanje načina rada.
Laseripoluvodič s vanjskim rezonatorom sastoji se od laserske diode, koja ima ulogu pojačavajućeg medija u sastavu većeg laserskog rezonatora. Sposobni su mijenjati valne duljine i imaju uski raspon emisije.
Injekcioni poluvodički laseri imaju područje emisije u obliku širokog pojasa, mogu generirati snop niske kvalitete snage od nekoliko vata. Sastoje se od tankog aktivnog sloja koji se nalazi između p- i n-sloja, tvoreći dvostruki heterospoj. Ne postoji mehanizam za zadržavanje svjetlosti u bočnom smjeru, što rezultira visokom eliptičnošću snopa i neprihvatljivo visokim strujama praga.
Snažne diodne šipke, koje se sastoje od niza širokopojasnih dioda, sposobne su proizvesti snop osrednje kvalitete sa snagom od nekoliko desetaka vata.
Moćni dvodimenzionalni nizovi dioda mogu generirati snagu u stotinama i tisućama vata.
Laseri s površinskim emitiranjem (VCSEL) emitiraju visokokvalitetni snop svjetlosti snage od nekoliko milivata okomito na ploču. Zrcala rezonatora nanose se na površinu zračenja u obliku slojeva od ¼ valne duljine s različitim indeksima loma. Nekoliko stotina lasera može se napraviti na jednom čipu, što otvara mogućnost masovne proizvodnje.
VECSEL laseri s optičkim napajanjem i vanjskim rezonatorom mogu generirati snop dobre kvalitete sa snagom od nekoliko vata u zaključavanju načina rada.
Rad poluvodičkog lasera kvantnokaskadni tip temelji se na prijelazima unutar zona (za razliku od međuzona). Ovi uređaji emitiraju u srednjem infracrvenom području, ponekad u terahercnom području. Koriste se, na primjer, kao analizatori plina.
Poluvodički laseri: primjena i glavni aspekti
Snažni diodni laseri s visokoučinkovitim električnim pumpanjem pri umjerenim naponima koriste se kao sredstvo za napajanje visokoučinkovitih poluprovodničkih lasera.
Poluvodički laseri mogu raditi u širokom frekvencijskom rasponu, koji uključuje vidljive, bliske infracrvene i srednje infracrvene dijelove spektra. Stvoreni su uređaji koji također omogućuju promjenu frekvencije emisije.
Laserske diode mogu brzo prebacivati i modulirati optičku snagu, što nalazi primjenu u odašiljačima s optičkim vlaknima.
Takve karakteristike učinile su poluvodičke lasere tehnološki najvažnijom vrstom kvantnih generatora. Primjenjuju se:
- u telemetrijskim senzorima, pirometrima, optičkim visinomjerima, daljinomjerima, nišanima, holografiji;
- u optičkim sustavima optičkog prijenosa i pohrane podataka, koherentnih komunikacijskih sustava;
- u laserskim pisačima, video projektorima, pokazivačima, skenerima crtičnog koda, skenerima slika, CD playerima (DVD, CD, Blu-Ray);
- u sigurnosnim sustavima, kvantnoj kriptografiji, automatizaciji, indikatorima;
- u optičkoj mjeriteljstvu i spektroskopiji;
- u kirurgiji, stomatologiji, kozmetologiji, terapiji;
- za tretman vode,obrada materijala, lasersko pumpanje u čvrstom stanju, kontrola kemijskih reakcija, industrijsko sortiranje, industrijsko inženjerstvo, sustavi paljenja, sustavi protuzračne obrane.
Impulsni izlaz
Većina poluvodičkih lasera stvara kontinuirani snop. Zbog kratkog vremena zadržavanja elektrona na razini vodljivosti, oni nisu baš prikladni za generiranje impulsa s preklapanjem Q, ali kvazi-kontinuirani način rada omogućuje značajno povećanje snage kvantnog generatora. Osim toga, poluvodički laseri mogu se koristiti za generiranje ultrakratkih impulsa s zaključavanjem moda ili preklapanjem pojačanja. Prosječna snaga kratkih impulsa obično je ograničena na nekoliko milivata, s izuzetkom optički pumpanih VECSEL lasera, čiji se izlaz mjeri viševatnim pikosekundnim impulsima s frekvencijom od nekoliko desetaka gigaherca.
Modulacija i stabilizacija
Prednost kratkog zadržavanja elektrona u vodljivom pojasu je sposobnost poluvodičkih lasera za visokofrekventnu modulaciju, koja za VCSEL lasere prelazi 10 GHz. Našao je primjenu u optičkom prijenosu podataka, spektroskopiji, laserskoj stabilizaciji.
