Halvlederlasere er kvantegeneratorer baseret på et halvlederaktivt medium, hvor optisk forstærkning skabes ved stimuleret emission under en kvanteovergang mellem energiniveauer ved en høj koncentration af ladningsbærere i den frie zone.
Halvlederlaser: funktionsprincip
I normal tilstand er de fleste elektroner placeret på valensniveauet. Når fotoner leverer energi, der overstiger energien i diskontinuitetszonen, kommer halvlederens elektroner i en excitationstilstand og, efter at have overvundet den forbudte zone, passerer de ind i den frie zone og koncentrerer sig ved dens nedre kant. Samtidig stiger hullerne dannet på valensniveauet til dets øvre grænse. Elektroner i den frie zone rekombinerer med huller og udstråler en energi svarende til energien i diskontinuitetszonen i form af fotoner. Rekombination kan forstærkes af fotoner med tilstrækkelige energiniveauer. Den numeriske beskrivelse svarer til Fermi-fordelingsfunktionen.
Device
Halvleder laserenheder en laserdiode pumpet med energien fra elektroner og huller i p-n-junction-zonen - kontaktpunktet for halvledere med p- og n-type ledningsevne. Derudover er der halvlederlasere med optisk energiforsyning, hvor strålen er dannet ved at absorbere fotoner af lys, samt kvantekaskadelasere, hvis drift er baseret på overgange inden for bånd.
Composition
Standardforbindelser, der bruges i både halvlederlasere og andre optoelektroniske enheder, er som følger:
- galliumarsenid;
- galliumphosphid;
- galliumnitrid;
- indiumphosphid;
- indium-galliumarsenid;
- galliumaluminiumarsenid;
- gallium-indiumarsenidnitrid;
- gallium-indiumphosphid.
Bølgelængde
Disse forbindelser er halvledere med direkte mellemrum. Indirekte-gab (silicium) lys udsender ikke med tilstrækkelig styrke og effektivitet. Bølgelængden af diodelaserstrålingen afhænger af graden af tilnærmelse af fotonenergien til energien af diskontinuitetszonen af en bestemt forbindelse. I 3- og 4-komponent halvlederforbindelser kan diskontinuitetszonens energi kontinuerligt variere over et bredt område. For AlGaAs=AlxGa1-xAs f.eks. resulterer en stigning i aluminiumindholdet (en stigning i x) i en stigning i energi i diskontinuitetszonen.
Mens de mest almindelige halvlederlasere fungerer i det nære infrarøde, udsender nogle røde (indiumgalliumphosphid), blå eller violette (galliumnitrid) farver. Mid-infrarød stråling produceres af halvlederlasere (blyselenid) og kvantekaskadelasere.
Organiske halvledere
Ud over de ovennævnte uorganiske forbindelser kan organiske også bruges. Den tilsvarende teknologi er stadig under udvikling, men dens udvikling lover at reducere omkostningerne ved produktion af kvantegeneratorer betydeligt. Indtil videre er der kun udviklet organiske lasere med optisk energiforsyning, og højeffektiv elektrisk pumpning er endnu ikke opnået.
varianter
Der er blevet skabt mange halvlederlasere, der adskiller sig i parametre og anvendt værdi.
Små laserdioder producerer en højkvalitets stråle af kantstråling, hvis effekt varierer fra flere til fem hundrede milliwatt. Laserdiodekrystallen er en tynd rektangulær plade, der fungerer som en bølgeleder, da strålingen er begrænset til et lille rum. Krystallen er doteret på begge sider for at skabe en p-n krydsning af et stort område. De polerede ender skaber en optisk Fabry-Perot-resonator. En foton, der passerer gennem resonatoren, vil forårsage rekombination, strålingen vil stige, og generering vil begynde. Anvendes i laserpointere, cd- og dvd-afspillere og fiberoptisk kommunikation.
Low-power monolitiske lasere og kvantegeneratorer med en ekstern resonator til at danne korte impulser kan frembringe tilstandslåsning.
Laserehalvledere med en ekstern resonator består af en laserdiode, som spiller rollen som et forstærkende medium i sammensætningen af en større laserresonator. De er i stand til at ændre bølgelængder og har et sm alt emissionsbånd.
Injektionshalvlederlasere har et emissionsområde i form af et bredt bånd, kan generere en stråle af lav kvalitet med en effekt på flere watt. De består af et tyndt aktivt lag placeret mellem p- og n-laget, der danner en dobbelt heterojunction. Der er ingen mekanisme til at holde lyset i den laterale retning, hvilket resulterer i fjernlys elliptisk og uacceptabelt høje tærskelstrømme.
Kraftfulde diodebjælker, der består af en række bredbåndsdioder, er i stand til at producere en stråle af middelkvalitet med en effekt på titusinder af watt.
Kraftfulde todimensionelle arrays af dioder kan generere strøm i hundreder og tusinder af watt.
Surface-emitting lasers (VCSEL'er) udsender en lysstråle af høj kvalitet med en effekt på adskillige milliwatt vinkelret på pladen. Resonatorspejle påføres på strålingsoverfladen i form af lag med ¼ bølgelængde med forskellige brydningsindekser. Der kan laves flere hundrede lasere på en enkelt chip, hvilket åbner mulighed for masseproduktion.
VECSEL-lasere med optisk strømforsyning og en ekstern resonator er i stand til at generere en stråle af god kvalitet med en effekt på flere watt i tilstandslåsning.
Betjening af en halvlederlaser kvante-kaskadetype er baseret på overgange inden for zonerne (i modsætning til interzoner). Disse enheder udsender i det mellem-infrarøde område, nogle gange i terahertz-området. De bruges f.eks. som gasanalysatorer.
Halvlederlasere: anvendelse og hovedaspekter
Kraftfulde diodelasere med højeffektiv elektrisk pumpning ved moderate spændinger bruges som et middel til at drive højeffektive solid-state lasere.
Halvlederlasere kan fungere over et bredt frekvensområde, som inkluderer de synlige, nær-infrarøde og mellem-infrarøde dele af spektret. Der er blevet oprettet enheder, der også giver dig mulighed for at ændre frekvensen af emissionen.
Laserdioder kan hurtigt skifte og modulere optisk effekt, hvilket finder anvendelse i fiberoptiske sendere.
Sådanne egenskaber har gjort halvlederlasere teknologisk til den vigtigste type kvantegeneratorer. De gælder:
- i telemetrisensorer, pyrometre, optiske højdemålere, afstandsmålere, seværdigheder, holografi;
- i fiberoptiske systemer til optisk transmission og datalagring, sammenhængende kommunikationssystemer;
- i laserprintere, videoprojektorer, pointere, stregkodescannere, billedscannere, CD-afspillere (DVD, CD, Blu-Ray);
- i sikkerhedssystemer, kvantekryptering, automatisering, indikatorer;
- i optisk metrologi og spektroskopi;
- i kirurgi, tandpleje, kosmetologi, terapi;
- til vandbehandling,materialebehandling, faststoflaserpumpning, kemisk reaktionskontrol, industriel sortering, industriteknik, tændingssystemer, luftforsvarssystemer.
Pulsoutput
De fleste halvlederlasere genererer en kontinuerlig stråle. På grund af elektronernes korte opholdstid på ledningsniveauet er de ikke særlig velegnede til at generere Q-switchede impulser, men den kvasi-kontinuerlige driftstilstand tillader en betydelig forøgelse af kvantegeneratorens effekt. Derudover kan halvlederlasere bruges til at generere ultrakorte pulser med mode locking eller gain switching. Den gennemsnitlige effekt af korte impulser er sædvanligvis begrænset til nogle få milliwatt, med undtagelse af optisk pumpede VECSEL-lasere, hvis output måles ved multi-watt picosekund-impulser med en frekvens på titusinder af gigahertz.
Modulation og stabilisering
Fordelen ved en elektrons korte ophold i ledningsbåndet er halvlederlaserens evne til højfrekvensmodulation, som for VCSEL-lasere overstiger 10 GHz. Det har fundet anvendelse i optisk datatransmission, spektroskopi, laserstabilisering.
