Полупроводниковите лазери са квантови генератори, базирани на полупроводникова активна среда, в която оптичното усилване се създава чрез стимулирано излъчване по време на квантов преход между енергийни нива при висока концентрация на носители на заряд в свободната зона.
Полупроводников лазер: принцип на действие
В нормално състояние повечето електрони са разположени на ниво валентност. Когато фотоните доставят енергия, надвишаваща енергията на зоната на прекъсване, електроните на полупроводника влизат в състояние на възбуждане и, преодолявайки забранената зона, преминават в свободната зона, концентрирайки се в долния й ръб. Едновременно с това дупките, образувани на валентното ниво, се издигат до горната му граница. Електроните в свободната зона се рекомбинират с дупки, излъчвайки енергия, равна на енергията на зоната на прекъсване под формата на фотони. Рекомбинацията може да бъде засилена от фотони с достатъчно енергийни нива. Числовото описание съответства на функцията за разпределение на Ферми.
Устройство
Полупроводниково лазерно устройствое лазерен диод, изпомпван с енергията на електрони и дупки в зоната на p-n-прехода - точката на контакт на полупроводници с p- и n-тип проводимост. Освен това има полупроводникови лазери с оптично енергийно захранване, при които лъчът се формира чрез поглъщане на фотони на светлината, както и квантови каскадни лазери, чиято работа се основава на преходи в рамките на ленти.
Състав
Стандартните връзки, използвани както в полупроводниковите лазери, така и в други оптоелектронни устройства, са както следва:
- галиев арсенид;
- галиев фосфид;
- галиев нитрид;
- индиев фосфид;
- индиево-галиев арсенид;
- галиев алуминиев арсенид;
- галиево-индиев арсенид нитрид;
- галий-индиев фосфид.
Дължина на вълната
Тези съединения са полупроводници с директна междина. Светлината с индиректна пролука (силициева) не излъчва с достатъчна сила и ефективност. Дължината на вълната на диодното лазерно излъчване зависи от степента на приближаване на енергията на фотона към енергията на зоната на прекъсване на дадено съединение. В 3- и 4-компонентни полупроводникови съединения енергията на зоната на прекъсване може непрекъснато да варира в широк диапазон. За AlGaAs=AlxGa1-x Тъй като например увеличаването на съдържанието на алуминий (увеличаване на x) води до увеличаване на енергия на зоната на прекъсване.
Докато най-често срещаните полупроводникови лазери работят в близката инфрачервена област, някои излъчват червени (индиев галиев фосфид), сини или виолетови (галиев нитрид) цветове. Средно инфрачервеното лъчение се произвежда от полупроводникови лазери (оловен селенид) и квантови каскадни лазери.
Органични полупроводници
В допълнение към гореспоменатите неорганични съединения могат да се използват и органични. Съответната технология все още е в процес на разработка, но нейното развитие обещава значително да намали разходите за производство на квантови генератори. Досега са разработени само органични лазери с оптична енергия и все още не е постигнато високоефективно електрическо изпомпване.
Разновидности
Създадени са много полупроводникови лазери, различаващи се по параметри и приложена стойност.
Малки лазерни диоди произвеждат висококачествен лъч от ръбово излъчване, чиято мощност варира от няколко до петстотин миливата. Кристалът на лазерния диод е тънка правоъгълна плоча, която служи като вълновод, тъй като излъчването е ограничено до малко пространство. Кристалът е легиран от двете страни, за да се създаде p-n кръстовище на голяма площ. Полираните краища създават оптичен резонатор на Фабри-Перо. Фотон, преминаващ през резонатора, ще предизвика рекомбинация, излъчването ще се увеличи и ще започне генерирането. Използва се в лазерни указатели, CD и DVD плейъри и оптични комуникации.
Монолитните лазери с ниска мощност и квантовите генератори с външен резонатор за образуване на къси импулси могат да произвеждат заключване на режима.
Лазериполупроводник с външен резонатор се състои от лазерен диод, който играе ролята на усилваща среда в състава на по-голям лазерен резонатор. Те са в състояние да променят дължините на вълните и имат тесен диапазон на излъчване.
Инжекционните полупроводникови лазери имат емисионна област под формата на широка лента, могат да генерират нискокачествен лъч с мощност от няколко вата. Те се състоят от тънък активен слой, разположен между p- и n-слоя, образувайки двоен хетеропреход. Няма механизъм за задържане на светлината в странична посока, което води до висока елиптичност на лъча и неприемливо високи прагови токове.
Мощни диодни ленти, състоящи се от набор от широколентови диоди, са в състояние да произвеждат лъч с посредствено качество с мощност от десетки вата.
Мощни двуизмерни масиви от диоди могат да генерират мощност в стотици и хиляди ватове.
Повърхностно излъчващите лазери (VCSEL) излъчват висококачествен лъч светлина с мощност от няколко миливата перпендикулярно на плочата. Резонаторните огледала се нанасят върху радиационната повърхност под формата на слоеве с ¼ дължина на вълната с различни показатели на пречупване. Няколкостотин лазера могат да бъдат направени на един чип, което отваря възможността за масово производство.
VECSEL лазери с оптично захранване и външен резонатор могат да генерират лъч с добро качество с мощност от няколко вата при заключване на режим.
Работата на полупроводников лазер, квантово-каскаден тип се основава на преходи в рамките на зоните (за разлика от междузоните). Тези устройства излъчват в средната инфрачервена област, понякога в терагерцовия диапазон. Използват се например като газови анализатори.
Полупроводникови лазери: приложение и основни аспекти
Мощни диодни лазери с високоефективно електрическо изпомпване при умерено напрежение се използват като средство за захранване на високоефективни твърдотелни лазери.
Полупроводниковите лазери могат да работят в широк честотен диапазон, който включва видимата, близката до инфрачервената и средната инфрачервена част от спектъра. Създадени са устройства, които също ви позволяват да променяте честотата на излъчване.
Лазерните диоди могат бързо да превключват и модулират оптичната мощност, което намира приложение в оптичните предаватели.
Такива характеристики направиха полупроводниковите лазери технологично най-важния тип квантови генератори. Прилагат се:
- в телеметрични сензори, пирометри, оптични висотомери, далекомери, мерници, холография;
- в оптични системи за оптично предаване и съхранение на данни, кохерентни комуникационни системи;
- в лазерни принтери, видео проектори, 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, дентална медицина, козметология, терапия;
- за пречистване на водата,обработка на материали, лазерно изпомпване в твърдо състояние, контрол на химически реакции, промишлено сортиране, промишлено инженерство, системи за запалване, системи за противовъздушна отбрана.
Импулсен изход
Повечето полупроводникови лазери генерират непрекъснат лъч. Поради краткото време на престой на електроните на ниво проводимост, те не са много подходящи за генериране на импулси с Q-превключване, но квазинепрекъснатият режим на работа позволява значително увеличаване на мощността на квантовия генератор. В допълнение, полупроводниковите лазери могат да се използват за генериране на ултракъси импулси със заключване на режима или превключване на усилването. Средната мощност на късите импулси обикновено е ограничена до няколко миливата, с изключение на лазерите VECSEL с оптично изпомпване, чиято мощност се измерва с многоватови пикосекундни импулси с честота от десетки гигахерца.
Модулация и стабилизация
Предимството на краткия престой на електрона в лентата на проводимост е способността на полупроводниковите лазери за високочестотна модулация, която за VCSEL лазерите надвишава 10 GHz. Намира приложение в оптично предаване на данни, спектроскопия, лазерна стабилизация.
