Лазеры паўправадніковыя: віды, прылада, прынцып працы, прымяненне

Паўправадніковыя лазеры з'яўляюцца квантавымі генератарамі на аснове паўправадніковай актыўнай асяроддзя, у якой аптычнае ўзмацненне ствараецца вымушаным выпраменьваннем пры квантавым пераходзе паміж энергетычнымі ўзроўнямі пры вялікай канцэнтрацыі носьбітаў зарада ў свабоднай зоне.

Паўправадніковы лазер: прынцып працы

У звычайным стане большасць электронаў размешчана на ўзроўні валентнасці. Пры падводзе фатонамі энергіі, якая перавышае энергію зоны разрыву, электроны паўправадніка прыходзяць у стан узрушанасці і, пераадолеўшы забароненую зону, пераходзяць у свабодную зону, канцэнтруючыся ў яе ніжняга краю. Адначасова дзіркі, якія ўтварыліся на валентнасці узроўні, падымаюцца да яе верхняй мяжы. Электроны ў свабоднай зоне рекомбинируют з дзіркамі, выпраменьваючы энергію, роўную энергіі зоны разрыву, у выглядзе фатонаў. Рэкамбінацыі можа быць узмоцнена фатонамі з дастатковым узроўнем энергіі. Колькасную апісанне адпавядае функцыі размеркавання Фермі.

прылада

Прылада паўправадніковага лазера ўяўляе сабой лазерны дыёд, напампоўваць энергіяй электронаў і дзірак у зоне р-n-пераходу - месцы судотыку паўправаднікоў з праводнасцю p- і n-тыпу. Акрамя таго, існуюць лазеры паўправадніковыя з аптычным падводам энергіі, у якіх пучок фармуецца пры паглынанні фатонаў святла, а таксама квантавыя каскадныя лазеры, праца якіх заснаваная на пераходах ўнутры зон.

склад

Стандартныя злучэння, якія выкарыстоўваюцца як у паўправадніковых лазерах, так і ў іншых оптаэлектронных прыладах, наступныя:

• арсенід Галіі;
• фасфід Галіі;
• нітрыд Галіі;
• фасфід індыя;
• арсенід індыя-Галіі;
• арсенід алюмінія-Галіі;
• арсенід-нітрыд галію-індыю;
• фасфід Галіі-індыю.

даўжыня хвалі

Гэтыя злучэнні - прямозонные паўправаднікі. Непрямозонные (крэмній) святла з дастатковай сілай і эфектыўнасцю ня выпраменьваюць. Даўжыня хвалі выпраменьвання дыёднага лазера залежыць ад ступені набліжэння энергіі фатона да энергіі зоны разрыву пэўнага злучэння. У 3- і 4-кампанентных злучэннях паўправаднікоў энергія зоны разрыву можа бесперапынна змяняцца ў шырокім дыяпазоне. У AlGaAs = _Al x Ga _1-х As, напрыклад, павелічэнне ўтрыманне алюмінія (павелічэнне х) мае следствам рост энергіі зоны разрыву.

У той час як найбольш распаўсюджаныя паўправадніковыя лазеры працуюць у блізкай ІЧ частцы спектру, некаторыя выпраменьваюць чырвоны (фасфід галій-індыя), сіні або фіялетавы (нітрыд Галіі) колеру. Сярэдняе інфрачырвонае выпраменьванне ствараюць лазеры паўправадніковыя (селенид свінцу) і квантавыя каскадныя лазеры.

арганічныя паўправаднікі

Акрамя вышэйзгаданых неарганічных злучэнняў, могуць прымяняцца і арганічныя. Адпаведная тэхналогія ўсё яшчэ знаходзіцца ў стадыі распрацоўкі, але яе развіццё абяцае значна патанніць вытворчасць квантавых генератараў. Пакуль толькі распрацаваны арганічныя лазеры з аптычным падводам энергіі, а высокаэфектыўная электрычная напампоўка яшчэ не дасягнутая.

разнавіднасці

Створана мноства паўправадніковых лазераў, якія адрозніваюцца параметрамі і прыкладным значэннем.

Малыя лазерныя дыёды вырабляюць якасны пучок кантавога выпраменьвання, магутнасць якога вагаецца ад некалькіх да пяцісот милливатт. Крышталь лазернага дыёда ўяўляе сабой тонкую пласцінку прамавугольнай формы, якая служыць хваляводам, так як выпраменьванне абмежавана невялікай прасторай. Крышталь легіравальных з двух бакоў для стварэння pn-пераходу вялікай плошчы. Паліраваныя тарцы ствараюць аптычны рэзанатар Фабры - Пяро. Фатон, праходзячы праз рэзанатар, выкліча рэкамбінацыі, выпраменьванне будзе ўзрастаць, і пачнецца генерацыя. Прымяняюцца ў лазерных паказальніках, CD- і DVD-прайгравальніках, а таксама ў оптавалаконнай сувязі.

Маламагутныя маналітныя лазеры і квантавыя генератары са знешнім рэзанатарам для фарміравання кароткіх імпульсаў могуць вырабляць сінхранізацыю мод.

Лазеры паўправадніковыя са знешнім рэзанатарам складаюцца з лазера-дыёда, які грае ролю узмацняльнымі асяроддзя ў складзе большага лазер-рэзанатара. Здольныя змяняць даўжыні хваль і маюць вузкую паласу выпраменьвання.

Инжекционные паўправадніковыя лазеры маюць вобласць выпраменьвання ў выглядзе шырокай паласы, могуць генераваць пучок нізкай якасці магутнасцю некалькі ват. Складаюцца з тонкага актыўнага пласта, размешчанага паміж p- і n-пластом, утвараючы двайны гетеропереход. Механізм ўтрымання святла ў бакавым кірунку адсутнічае, што мае следствам высокую эллиптичность пучка і непрымальна высокія парогавыя токі.

Магутныя дыёдныя лінейкі, якія складаюцца з масіва шырокапалосных дыёдаў, здольныя вырабляць прамень пасрэднага якасці магутнасцю ў дзесяткі ват.

Магутныя двухмерныя масівы дыёдаў могуць генераваць магутнасць у сотні і тысячы ват.

Павярхоўна-выпраменьвальныя лазеры (VCSEL) выпускаюць якасны пучок святла магутнасцю ў некалькі милливатт перпендыкулярна да пласціне. На паверхні выпраменьвання наносяць люстэрка рэзанатара ў выглядзе слаёў у ¼ Дзіны хвалі з рознымі паказчыкамі праламлення. На адным крышталі можна вырабіць некалькі сотняў лазераў, што адкрывае магчымасць іх масавага вытворчасці.

Лазеры VECSEL c аптычным падводам энергіі і вонкавым рэзанатарам здольныя генераваць пучок добрай якасці магутнасцю ў некалькі ват пры сінхранізацыі мод.

Праца паўправадніковага лазера квантава-каскаднага тыпу заснавана на пераходах ўнутры зон (у адрозненне ад междузонных). Гэтыя прылады выпраменьваюць ў сярэдняй вобласці інфрачырвонай частцы спектру, часам у терагерцового дыяпазоне. Іх выкарыстоўваюць, напрыклад, у якасці газааналізатараў.

Паўправадніковыя лазеры: прымяненне і асноўныя аспекты

Магутныя дыёдныя лазеры з высокаэфектыўнай электрычнай накачкі пры ўмераных высілках выкарыстоўваюцца ў якасці сродкаў подвода энергіі высокаэфектыўных цвёрдацельных лазераў.

Паўправадніковыя лазеры могуць працаваць у вялікім дыяпазоне частот, які ўключае бачную, блізкую інфрачырвоную і сярэднюю інфрачырвоную частку спектру. Створаны прылады, якія дазваляюць таксама змяняць частату издучения.

Лазерныя дыёды могуць хутка перамыкаць і мадуляваць аптычную магутнасць, што знаходзіць прымяненне ў перадатчыках оптавалакновых ліній сувязі.

Такія характарыстыкі зрабілі лазеры паўправадніковыя тэхналагічна найбольш важным тыпам квантавых генератараў. Яны ўжываюцца:

• у датчыках тэлеметрыі, пирометрах, аптычных вышынямер, далямер, прыцэл, галаграфіі;
• ў оптавалакновых сістэмах аптычнай перадачы і захоўвання дадзеных, сістэмах кагерэнтнай сувязі;
• у лазерных друкарках, відэапраектараў, паказальніках, сканар штрых-кода, сканар малюнкаў, прайгравальніках кампакт-дыскаў (DVD, CD, Blu-Ray);
• ў ахоўных сістэмах, квантавай крыптаграфіі, аўтаматыцы, індыкатарах;
• ў аптычнай метралогіі і спектраскапіі;
• у хірургіі, стаматалогіі, касметалогіі, тэрапіі;
• для ачысткі вады, апрацоўкі матэрыялаў, накачкі цвёрдацельных лазераў, кантролю хімічных рэакцый, у прамысловай сартаванні, прамысловым машынабудаванні, сістэмах запальвання, сістэмах СПА.

імпульсны выхад

Большасць паўправадніковых лазераў генеруе бесперапынны пучок. З-за кароткай працягласці знаходжання электронаў на ўзроўні праводнасці яны не вельмі падыходзяць для генерацыі імпульсаў з мадуляцыяй дыхтоўнасці, але квазинепрерывный рэжым працы дазваляе значна павысіць магутнасць квантавага генератара. Акрамя таго, паўправадніковыя лазеры могуць быць выкарыстаны для фарміравання сверхкороткое імпульсаў з сінхранізацыяй мод або пераключэннем каэфіцыента ўзмацнення. Сярэдняя магутнасць кароткіх імпульсаў, як правіла, абмяжоўваецца некалькімі милливаттами, за выключэннем VECSEL-лазераў з аптычнай накачкі, выхад якіх вымяраецца многоваттными пикосекундными імпульсамі частатой у дзясяткі гігагерц.

Мадуляцыя і стабілізацыя

Перавагай кароткачасовага знаходжання электрона ў зоне праводнасці з'яўляецца здольнасць паўправадніковых лазераў да высокачашчыннай модулированию, якое ў VCSEL-лазераў перавышае 10 Ггц. Гэта знайшло прымяненне ў аптычнай перадачы дадзеных, спектраскапіі, стабілізацыі лазераў.