Laserele semiconductoare: tipuri de dispozitive, principiul de funcționare, utilizarea

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.

Laser semiconductor: Principiul de funcționare

In mod normal, majoritatea electronilor situat la nivelul valența. 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, o gaură formată în nivelul de valență, ridicându-se la granița superioară. Electronii din zona liberă recombina cu găuri, care radiază energie egală cu energia zonei de rupere, sub forma de fotoni. Recombinarea poate fi îmbunătățită prin fotoni cu un nivel de energie suficient. Descrierea numerică corespunde funcției de distribuție Fermi.

dispozitiv

Dispozitivul laser semiconductor este o diodă laser pompat electroni de energie și găuri în zona p-n-tranziției - punctul de contact cu P- semiconductor conductor și n-tip. 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

Compușii tipici utilizate în lasere cu semiconductori și alte dispozitive optoelectronice, după cum urmează:

• arsenide galiu;
• fosfură de galiu;
• nitrură de galiu;
• fosfura indiu;
• arseniura galiu indiu;
• arsenide aluminiu galiu;
• nitrură de galiu-indiu-galiu;
• fosfură, galiu-indiu.

lungime de undă

Acești compuși - semiconductori direct-gap. Indirect- (siliciu) nu emite lumină cu o forță și suficientă eficiență. Lungimea de undă a radiației laserului dioda depinde de energia energiei fotonice se apropie decalajul banda de compus particular. Decalajul banda compușilor semiconductori de energie 3- și 4-component poate fi variat în mod continuu într-o gamă largă. La AlGaAs = Al _x Ga _{1 x} As, de exemplu, creșterea conținutului de aluminiu (creștere x) are ca efect creșterea diferenței de banda de energie.

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). cu laser medie in infrarosu semiconductor (seleniură de plumb) și lasere în cascadă cuantice.

semiconductori organici

Pe lângă compușii anorganici de mai sus pot fi utilizate și organice. Tehnologia adecvată este încă în curs de dezvoltare, dar dezvoltarea sa promite să reducă în mod semnificativ costul de producție de lasere. Până în prezent, doar a dezvoltat lasere organice cu care nu a fost încă atins un aport de energie optică și pompe electrice de înaltă performanță.

specie

Printr-o multitudine de lasere semiconductoare cu diferiți parametri și valori de aplicare.

diode laser mici produc un fascicul de radiații mecanice de înaltă calitate, a cărui putere variază de la câteva sute la cinci sute de milliwatts. cip dioda laser este o placă dreptunghiulară subțire, care servește ca un ghid de undă, deoarece radiația limitată la un spațiu mic. Crystal dopat cu ambele părți pentru a crea o tranziție a PN-o zonă mare. Capetele lustruite creează un rezonator optic al unui Fabry - interferometru Perot. Photon care trece prin cavitatea de a provoca radiații recombinare va crește, și va începe generarea. Acestea sunt utilizate în laser pointer, CD- și DVD-playere, precum și fibră optică.

lasere cu putere redusă și lasere solide, cu o cavitate externă pentru generarea de impulsuri scurte pot sincroniza evenimente.

lasere semiconductoare cu cavitate externă compusă dintr-o diodă laser, care joacă un rol în compoziția de câștig mediu mai laser rezonator. Capabil de a schimba lungimi de undă și să aibă o bandă îngustă de emisie.

lasere de injectare sunt în regiunea semiconductoare de radiații într-o bandă largă, poate genera o putere scăzută fascicul de calitate de mai multe Watts. Acesta constă dintr-un strat subțire activ dispus între P- și n-strat, formând o heterojoncțiune dublu. Mecanismul de izolare a luminii în direcția laterală este lipsă, care are ca rezultat ellipticity faza lungă și curenți de prag inacceptabil de mari.

rețele de diode puternice, constând dintr-o matrice de diode, de bandă largă, capabile să producă un fascicul de putere de calitate mediocră a zeci de wați.

Puternice matrice bidimensionale de diode poate genera o putere de sute de mii de wați.

Suprafață emițătoare de lasere (VCSEL) care emite calitatea fasciculului de ieșire de lumină, în mai multe milliwatts perpendicular pe placa. Pe suprafața de radiație a oglinzii rezonator este aplicat sub formă de straturi în dyn ¼ val cu diferiți indici de refracție. Pe un singur cip poate fi făcut mai multe sute de lasere, care se deschide posibilitatea de producție în masă.

C VECSEL laserele de intrare energie optică și un rezonator extern capabile să genereze un fascicul de putere bună calitate a mai multor wați la o blocare mod.

De lucru cu laser semiconductor de tip cascadă cuantice pe baza tranzițiilor din banda (în contrast cu interband). Aceste dispozitive emit în zona de mijloc a spectrului în infraroșu, uneori în intervalul terahertz. Ele sunt utilizate, de exemplu, ca analizoare de gaze.

Semiconductoare lasere: aplicarea și principalele aspecte ale

De mare putere diode laser cu mare pompat electric la tensiuni moderate sunt folosite ca mijloc foarte eficient de furnizare a energiei laser în stare solidă.

lasere cu semiconductori pot funcționa într-o gamă largă de frecvențe, care include partea vizibilă, în infraroșu apropiat și mijlociu în infraroșu al spectrului. dispozitive create pentru a schimba, de asemenea, izducheniya de frecvență.

diode laser poate comuta rapid și modula puterea optică, care este utilizat în fibra optică de linii de comunicații emițătoare.

Aceste caracteristici au făcut lasere semiconductoare sunt tehnologic cel mai important tip de Maser. Acestea sunt utilizate:

• un senzori telemetrie, pirometre, altimetru optic, Telemetre, obiective turistice, holografie;
• în sistemele de transmisie cu fibre optice și de stocare a datelor, sisteme de comunicare coerente;
• imprimante laser, proiectoare video, indicii, cititor de coduri de bare, scaner de imagine, CD-playere (DVD, CD, Blu-Ray);
• în sistemele de securitate, criptografia cuantică, automatizare, indicatori;
• în metrologie optică și spectroscopie;
• în chirurgie, stomatologie, cosmetica, terapie;
• purificarea apei, manipularea materialelor, pomparea de lasere în stare solidă, controlul reacțiilor chimice în sortarea industrială, mașini industriale, sisteme de aprindere, și sisteme de apărare aeriană.

ieșire de impuls

Majoritatea laser semiconductor 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. In plus, lasere semiconductoare pot fi utilizate pentru generarea de mode-blocat puls ultrascurte sau comutare câștig. 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 stabilizare

Avantajul de electroni scurt de staționare în banda de conducție de lasere semiconductoare este abilitatea de a modula de înaltă frecvență, care au VCSEL-lasere depășește 10 GHz. Acesta a fost utilizat în transmisia de date optice, spectroscopie, stabilizare cu laser.