Halfgeleierlasers is kwantumgenerators gebaseer op 'n halfgeleier aktiewe medium waarin optiese versterking geskep word deur gestimuleerde emissie tydens 'n kwantumoorgang tussen energievlakke by 'n hoë konsentrasie ladingdraers in die vrye sone.
Halfgeleierlaser: werkingsbeginsel
In die normale toestand is die meeste elektrone op die valensievlak geleë. Wanneer fotone energie verskaf wat die energie van die diskontinuïteitsone oorskry, kom die elektrone van die halfgeleier in 'n toestand van opwekking en, nadat hulle die verbode sone oorkom het, gaan dit na die vrye sone, en konsentreer aan sy onderste rand. Terselfdertyd styg die gate wat op die valensievlak gevorm word tot by sy boonste grens. Elektrone in die vrye sone herkombineer met gate en straal 'n energie uit wat gelyk is aan die energie van die diskontinuïteitsone in die vorm van fotone. Rekombinasie kan verbeter word deur fotone met voldoende energievlakke. Die numeriese beskrywing stem ooreen met die Fermi-verspreidingsfunksie.
Device
Halfgeleier-lasertoestelis 'n laserdiode wat met die energie van elektrone en gate in die p-n-aansluitingsone gepomp word - die kontakpunt van halfgeleiers met p- en n-tipe geleidingsvermoë. Daarbenewens is daar halfgeleierlasers met optiese energietoevoer, waarin die straal gevorm word deur fotone van lig te absorbeer, asook kwantumkaskadelasers, waarvan die werking op oorgange binne bande gebaseer is.
Komposisie
Standaardverbindings wat in beide halfgeleierlasers en ander opto-elektroniese toestelle gebruik word, is soos volg:
- galliumarsenied;
- galliumfosfied;
- galliumnitried;
- indiumfosfied;
- indium-galliumarsenied;
- galliumaluminiumarsenied;
- gallium-indium arsenied nitride;
- gallium-indiumfosfied.
golflengte
Hierdie verbindings is direkte-gaping halfgeleiers. Lig met indirekte gaping (silikon) straal nie met voldoende sterkte en doeltreffendheid uit nie. Die golflengte van die diode laserstraling hang af van die mate van benadering van die fotonenergie tot die energie van die diskontinuïteitsone van 'n spesifieke verbinding. In 3- en 4-komponent halfgeleierverbindings kan die diskontinuïteitsone-energie voortdurend oor 'n wye reeks verskil. Vir AlGaAs=AlxGa1-xAs, byvoorbeeld, lei 'n toename in die aluminiuminhoud ('n toename in x) tot 'n toename in die energie van die diskontinuïteitsone.
Terwyl die mees algemene halfgeleierlasers in die nabye infrarooi werk, straal sommige rooi (indiumgalliumfosfied), blou of violet (galliumnitried) kleure uit. Mid-infrarooi bestraling word geproduseer deur halfgeleierlasers (loodselenied) en kwantumkaskadelasers.
Organiese halfgeleiers
Benewens die bogenoemde anorganiese verbindings, kan organiese ook gebruik word. Die ooreenstemmende tegnologie is nog onder ontwikkeling, maar die ontwikkeling daarvan beloof om die produksiekoste van kwantumopwekkers aansienlik te verminder. Slegs organiese lasers met optiese energietoevoer is tot dusver ontwikkel, en hoogs doeltreffende elektriese pomp is nog nie bereik nie.
variëteite
Baie halfgeleierlasers is geskep, wat verskil in parameters en toegepaste waarde.
Klein laserdiodes produseer 'n hoë-geh alte straal van randstraling, waarvan die krag wissel van etlike tot vyfhonderd milliwatt. Die laserdiodekristal is 'n dun reghoekige plaat wat as 'n golfleier dien, aangesien die straling beperk is tot 'n klein spasie. Die kristal is aan beide kante gedoteer om 'n p-n-aansluiting van 'n groot area te skep. Die gepoleerde punte skep 'n optiese Fabry-Perot-resonator. 'n Foton wat deur die resonator gaan, sal rekombinasie veroorsaak, die straling sal toeneem en generasie sal begin. Word gebruik in laserwysers, CD- en DVD-spelers en optieseveselkommunikasie.
Laekrag monolitiese lasers en kwantumopwekkers met 'n eksterne resonator om kort pulse te vorm, kan modussluiting produseer.
Lasershalfgeleier met 'n eksterne resonator bestaan uit 'n laserdiode, wat die rol speel van 'n versterkermedium in die samestelling van 'n groter laserresonator. Hulle is in staat om golflengtes te verander en het 'n smal emissieband.
Inspuiting halfgeleier-lasers het 'n emissiegebied in die vorm van 'n wye band, kan 'n lae-geh alte straal met 'n krag van verskeie watt genereer. Hulle bestaan uit 'n dun aktiewe laag wat tussen die p- en n-laag geleë is, wat 'n dubbele heteroaansluiting vorm. Daar is geen meganisme om lig in die laterale rigting te hou nie, wat lei tot hoëstraal-elliptiese en onaanvaarbare hoë drumpelstrome.
Kragtige diodestawe, bestaande uit 'n reeks breëbanddiodes, is in staat om 'n straal van middelmatige geh alte met 'n krag van tientalle watt te produseer.
Kragtige tweedimensionele skikkings diodes kan krag in die honderde en duisende watt opwek.
Surface emitting lasers (VCSELs) straal 'n hoë kwaliteit ligstraal uit met 'n krag van etlike milliwatt loodreg op die plaat. Resonatorspieëls word op die stralingsoppervlak aangebring in die vorm van lae van ¼ golflengte met verskillende brekingsindekse. Etlike honderde lasers kan op 'n enkele skyfie gemaak word, wat die moontlikheid van massaproduksie oopmaak.
VECSEL-lasers met optiese kragtoevoer en 'n eksterne resonator is in staat om 'n straal van goeie geh alte op te wek met 'n krag van verskeie watt in modussluiting.
Die werking van 'n halfgeleierlaser-kwantum-kaskade tipe is gebaseer op oorgange binne die sones (teenoor intersones). Hierdie toestelle straal in die middel-infrarooi gebied uit, soms in die terahertz-reeks. Hulle word byvoorbeeld as gasontleders gebruik.
Halfgeleierlasers: toepassing en hoofaspekte
Kragtige diode-lasers met hoë-doeltreffendheid elektriese pomp teen matige spannings word gebruik as 'n manier om hoë-doeltreffende vastestoflasers aan te dryf.
Halfgeleierlasers kan oor 'n wye frekwensiereeks werk, wat die sigbare, naby-infrarooi en middel-infrarooi gedeeltes van die spektrum insluit. Toestelle is geskep wat jou ook toelaat om die frekwensie van die emissie te verander.
Laserdiodes kan optiese krag vinnig skakel en moduleer, wat toepassing vind in optiesevesel-senders.
Sulke kenmerke het halfgeleierlasers tegnologies die belangrikste tipe kwantumopwekkers gemaak. Hulle is van toepassing:
- in telemetriesensors, pirometers, optiese hoogtemeters, afstandmeters, besienswaardighede, holografie;
- in optiese veselstelsels van optiese transmissie en databerging, samehangende kommunikasiestelsels;
- in laserdrukkers, videoprojektors, wysers, strepieskodeskandeerders, beeldskandeerders, CD-spelers (DVD, CD, Blu-Ray);
- in sekuriteitstelsels, kwantumkriptografie, outomatisering, aanwysers;
- in optiese metrologie en spektroskopie;
- in chirurgie, tandheelkunde, skoonheidsmiddels, terapie;
- vir waterbehandeling,materiaalverwerking, vastestof-laserpomp, chemiese reaksiebeheer, industriële sortering, industriële ingenieurswese, ontstekingstelsels, lugverdedigingstelsels.
Pulsuitset
Die meeste halfgeleierlasers genereer 'n aaneenlopende straal. As gevolg van die kort verblyftyd van elektrone op die geleidingsvlak, is hulle nie baie geskik vir die opwekking van Q-geskakelde pulse nie, maar die kwasi-kontinue werkingsmodus laat 'n aansienlike toename in die krag van die kwantumgenerator toe. Daarbenewens kan halfgeleierlasers gebruik word om ultrakort pulse te genereer met modussluiting of versterkingskakeling. Die gemiddelde drywing van kort pulse word gewoonlik beperk tot 'n paar milliwatt, met die uitsondering van opties gepompte VECSEL-lasers, wie se uitset gemeet word deur multi-watt pikosekonde-pulse met 'n frekwensie van tientalle gigahertz.
Modulasie en stabilisering
Die voordeel van die kort verblyf van 'n elektron in die geleidingsband is die vermoë van halfgeleierlasers tot hoëfrekwensiemodulasie, wat vir VCSEL-lasers 10 GHz oorskry. Dit het toepassing gevind in optiese data-oordrag, spektroskopie, laserstabilisering.
