Polovodičové lasery: typy, zařízení, princip činnosti, aplikace

Polovodičové lasery jsou kvantové generátory založené na polovodičovém aktivním médiu, ve kterém je optická amplifikace produkována stimulovanou emisí během kvantového přechodu mezi energetickými hladinami při vysoké koncentraci nosičů náboje ve volné zóně.

Polovodičový laser: princip činnosti

V běžném stavu jsou většina elektronů umístěna na úrovni valence. Když fotony přivádějí energii převyšující energii zóny nespojitosti, elektrony polovodičů přicházejí do stavu excitace a prochází zakázanou zónou a přejdou do volné zóny a soustředí se na spodní hranici. Současně se díry vytvořené na úrovni valence zvedají až k horní hranici. Elektrony ve volné zóně se rekombinují s otvory, které emitují energii rovnající se energii zóny nespojitosti, ve formě fotonů. Rekombinace může být zesílena fotony s dostatečnou energií. Číselný popis odpovídá funkci distribuce Fermi.

Zařízení

Polovodičové laserové zařízení je a laserová dioda, čerpaný energií elektronů a otvorů v pn-spojovací oblasti - bod kontaktu polovodičů s p- a n-vodivostí. Kromě toho existují polovodičové lasery s optickým zdrojem energie, ve kterých je paprsek tvořen absorpcí fotonů světla, stejně jako kvantové kaskádové lasery, jejichž provoz je založen na přechodech uvnitř pásů.

Složení

Standardní připojení používaná v obou polovodičových laserech a jiných optoelektronických zařízeních jsou tato:

• arsenid gallia;
• fosfid gallia;
• nitrid gallia;
• fosfid india;
• arzenid indium gallia;
• arsenid hliníku a gallia;
• arsenid-nitrid gallium-indium;
• fosfid gallium-india.

Vlnová délka

Tyto sloučeniny jsou polovodiče s přímou mezerou. Nepřímé (silikonové) světlo s dostatečnou silou a účinností nevyzařuje. Radiační vlnová délka diodový laser závisí na stupni aproximace fotonové energie na energii prasklinové zóny konkrétní sloučeniny. U tříčtvrstvých a čtyřkomponentních sloučenin polovodičů se může energie zóny nespojitosti plynule měnit v širokém rozmezí. V AlGaAs = Al_xGa_1-хNapříklad zvýšení obsahu hliníku (zvýšení o x) vede k nárůstu energie zóny nespojitosti.

Zatímco nejběžnější polovodičové lasery pracují v blízké infračervené části spektra, některé vyzařují červené (fosfid gallia-indium), modré nebo fialové (nitrid gallia) v barvě. Průměrné infračervené záření je produkováno polovodičovými lasery (selenidem olova) a kvantovými kaskádovými lasery.

Organické polovodiče

Kromě výše uvedených anorganických sloučenin se může použít i organická sloučenina. Odpovídající technologie jsou stále ve vývoji, ale její vývoj slibuje výrazné snížení nákladů na výrobu kvantových generátorů. Dosud byly vyvinuty pouze organické lasery s optickým zdrojem energie a dosud nebylo dosaženo vysoce účinného elektrického čerpání.

Odrůdy

Je vytvořeno mnoho polovodičových laserů, které se liší parametry a aplikační hodnotou.

Malé laserové diody produkují vysoce kvalitní paprsek radiačního obličeje, jehož výkon se pohybuje v rozmezí od několika až pěti milionů milliwattů. Krystal laserové diody je tenká obdélníková deska, která slouží jako vlnovod, protože záření je omezeno na malý prostor. Krystal je dotován na obou stranách, aby vytvořil prostorovou spojnici p-n. Leštěné konce vytvářejí optický rezonátor Fabry-Perot. Foton, který prochází rezonátorem, způsobí rekombinaci, radiace se zvětší a začne generace. Používají se v laserových ukazatelích, CD a DVD přehrávačích, stejně jako v optických vláknech.

Nízkoenergetické monolitické lasery a kvantové generátory s vnější dutinou pro vytváření krátkých impulzů mohou způsobit synchronizaci režimu.

polovodičové lasery s vnější dutiny sestávající z laserové diody, která hraje roli ve složení média pro zesílení v laserové rezonátoru. Mohou měnit vlnové délky a mají úzký pás záření.

Injekční polovodičové lasery mají oblast záření ve formě širokého pásma, mohou generovat nízkokvalitní paprsek s výkonem několika wattů. Jsou tvořeny tenkou aktivní vrstvou umístěnou mezi vrstvami p a n, čímž vzniká dvojitá heterojunkce. Mechanismus omezování světla v bočním směru chybí, což vede k ellipticitě s vysokým světlem a nepřijatelně vysokým prahům.

Výkonné diodové pole, které sestávají z řady širokopásmových diod, jsou schopné produkovat průměrný paprsek o síle desítek wattů.

Výkonné dvourozměrné pole diod mohou generovat energii ve stovkách a tisících wattů.

Povrchově vyzařující lasery (VCSEL) vydávají kvalitní světelný paprsek několik milwattů kolmo na desku. Na povrchu záření jsou rezonátorová zrcadla umístěna ve formě vrstev frac14-din vlny s různými indexů lomu. Jeden krystal může produkovat několik set lasery, což otevírá možnost jejich hromadné výroby.

VECSEL lasery s optickým napájecím zdrojem a externím rezonátorem jsou schopny generovat kvalitní paprsek s výkonem několika wattů během synchronizace režimu.

Práce kvantově kaskádového typu polovodičového laseru je založena na přechodech uvnitř zón (na rozdíl od interbandových). Tato zařízení vyzařují uprostřed infračervené části spektra, někdy v terahertzovém rozsahu. Používají se například jako analyzátory plynů.

Polovodič lasery: aplikace a hlavní aspekty

Výkonné diodové lasery s vysoce účinným elektrickým čerpáním při středních napětích se používají jako prostředky pro přísun energie pro vysoce efektivní polovodičové lasery.

Polovodičové lasery mohou pracovat v širokém frekvenčním rozsahu, který zahrnuje viditelnou infračervenou a středně infračervenou část spektra. Vytvářejí se přístroje, které také umožňují měnit frekvenci výbuchu.

Laserové diody dokáží rychle přepínat a modifikovat optický výkon, který se používá ve vysílačích optických komunikačních linek.

Takové vlastnosti způsobily, že polovodičové lasery jsou technologicky nejdůležitějším typem kvantových generátorů. Používají se:

• v telemetrických snímačích, pyrometrech, optických výškoměrech, dálkoměrech, pamětích, holografiích;
• v systémech optického vlákna optického přenosu a ukládání dat, systémy koherentní komunikace;
• v laserových tiskárnách, videoprojektorů, ukazováčkách, čtečkách čárových kódů, obrazových skenerů, CD přehrávačích (DVD, CD, Blu-Ray);
• v bezpečnostních systémech, kvantové kryptografii, automatizaci, ukazatele;
• v optické metrologii a spektroskopii;
• v chirurgii, stomatologii, kosmetologii, terapii;
• pro úpravu vody, zpracování materiálu, čerpání laser v pevné fázi, kontrolu chemických reakcí, průmyslové třídění, průmyslové inženýrství, zapalovací systémy, systémy protivzdušné obrany.

Impulsní výstup

Většina polovodičových laserů vytváří spojitý paprsek. Vzhledem ke krátké době zdržení elektronů v úrovni vedení, které nejsou příliš vhodné pro generování Q-switched impulsy, ale kvazi-kontinuální způsob provozu může výrazně zvýšit kvantové výkon generátoru. Kromě toho mohou být polovodičové lasery použity k vytváření ultra krátkých pulsů se synchronizací režimu nebo zesílením přepínání. Průměrný výkon krátkých impulsů, obvykle omezena na několik miliwattů kromě VECSEL-opticky čerpanou lasery, který výstup wattech naměřených pikosekundové impulzy o frekvenci v řádu desítek GHz.

Modulace a stabilizace

Výhodou krátkého pobytu elektronu v pásmu vodivosti polovodičových laserů je schopnost modulovat vysoké frekvenci, která mají VCSEL-lasery než 10 GHz. To se objevilo v optickém přenosu dat, spektroskopii a stabilizaci lasery.