Poluprovodnički laseri su kvantni generatori bazirani na poluprovodničkom aktivnom mediju u kojem se optičko pojačanje stvara stimuliranom emisijom tokom kvantnog prijelaza između energetskih nivoa pri visokoj koncentraciji nosilaca naboja u slobodnoj zoni.
Poluprovodnički laser: princip rada
U normalnom stanju, većina elektrona se nalazi na nivou valencije. Kada fotoni isporučuju energiju koja premašuje energiju zone diskontinuiteta, elektroni poluvodiča dolaze u stanje pobude i, nakon što prevladaju zabranjenu zonu, prelaze u slobodnu zonu, koncentrirajući se na njenom donjem rubu. Istovremeno, rupe nastale na valentnom nivou podižu se do njegove gornje granice. Elektroni u slobodnoj zoni se rekombinuju sa rupama, zračeći energiju jednaku energiji zone diskontinuiteta u obliku fotona. Rekombinacija se može poboljšati fotonima sa dovoljnim nivoima energije. Numerički opis odgovara Fermijevoj funkciji distribucije.
uređaj
Poluprovodnički laserski uređajje laserska dioda pumpana energijom elektrona i rupa u zoni p-n spoja - tački kontakta poluvodiča sa p- i n-tipom provodljivosti. Pored toga, postoje poluprovodnički laseri sa optičkim napajanjem, kod kojih se snop formira apsorbovanjem fotona svetlosti, kao i kvantni kaskadni laseri, čiji se rad zasniva na prelazima unutar pojaseva.
Kompozicija
Standardne veze koje se koriste u poluprovodničkim laserima i drugim optoelektronskim uređajima su sljedeće:
- galijum arsenid;
- galijum fosfid;
- galijum nitrid;
- indijum fosfid;
- indijum-galijum arsenid;
- galijum aluminijum arsenid;
- galijum-indijum arsenid nitrid;
- galijum-indijum fosfid.
valna dužina
Ova jedinjenja su poluprovodnici sa direktnim razmakom. Indirektna (silicijumska) svetlost ne emituje dovoljno snage i efikasnosti. Talasna dužina zračenja diodnog lasera ovisi o stupnju aproksimacije energije fotona energiji zone diskontinuiteta određenog spoja. U 3- i 4-komponentnim poluvodičkim spojevima, energija zone diskontinuiteta može kontinuirano varirati u širokom rasponu. Za AlGaAs=AlxGa1-xKao što, na primjer, povećanje sadržaja aluminijuma (povećanje x) rezultira povećanjem energija zone diskontinuiteta.
Dok najčešći poluprovodnički laseri rade u bliskom infracrvenom spektru, neki emituju crvene (indijum-galijum fosfid), plave ili ljubičaste (galijum-nitrid) boje. Srednje infracrveno zračenje proizvode poluvodički laseri (selenid olova) i kvantni kaskadni laseri.
Organski poluprovodnici
Pored gore navedenih neorganskih jedinjenja, mogu se koristiti i organska. Odgovarajuća tehnologija je još uvijek u razvoju, ali njen razvoj obećava značajno smanjenje troškova proizvodnje kvantnih generatora. Do sada su razvijeni samo organski laseri sa optičkim napajanjem, a visoko efikasno električno pumpanje još nije postignuto.
Varieties
Stvoreno je mnogo poluprovodničkih lasera, koji se razlikuju po parametrima i primijenjenoj vrijednosti.
Male laserske diode proizvode visokokvalitetni snop ivičnog zračenja, čija se snaga kreće od nekoliko do petsto milivata. Kristal laserske diode je tanka pravokutna ploča koja služi kao valovod, budući da je zračenje ograničeno na mali prostor. Kristal je dopiran s obje strane kako bi se stvorio p-n spoj velike površine. Polirani krajevi stvaraju optički Fabry-Perot rezonator. Foton koji prolazi kroz rezonator će izazvati rekombinaciju, zračenje će se povećati i generisanje će početi. Koristi se u laserskim pokazivačima, CD i DVD playerima i optičkim komunikacijama.
Monolitni laseri male snage i kvantni generatori sa eksternim rezonatorom za formiranje kratkih impulsa mogu proizvesti zaključavanje moda.
Laseripoluvodič sa eksternim rezonatorom sastoji se od laserske diode, koja igra ulogu medija za pojačavanje u sastavu većeg laserskog rezonatora. Oni su u stanju da menjaju talasne dužine i imaju uski opseg emisije.
Injekcioni poluprovodnički laseri imaju emisiono područje u obliku širokog pojasa, mogu generirati zrak niske kvalitete sa snagom od nekoliko vati. Sastoje se od tankog aktivnog sloja koji se nalazi između p- i n-sloja, tvoreći dvostruki heterospoj. Ne postoji mehanizam za zadržavanje svjetlosti u bočnom smjeru, što rezultira visokom eliptičnošću zraka i neprihvatljivo visokim strujama praga.
Moćne diodne šipke, koje se sastoje od niza širokopojasnih dioda, sposobne su proizvesti snop osrednjeg kvaliteta sa snagom od desetina vati.
Moćni dvodimenzionalni niz dioda može generirati snagu u stotinama i hiljadama vati.
Laseri koji emituju površinu (VCSEL) emituju visokokvalitetni snop svjetlosti sa snagom od nekoliko milivata okomito na ploču. Rezonatorska ogledala se nanose na površinu zračenja u obliku slojeva od ¼ talasne dužine sa različitim indeksima prelamanja. Nekoliko stotina lasera se može napraviti na jednom čipu, što otvara mogućnost masovne proizvodnje.
VECSEL laseri sa optičkim napajanjem i eksternim rezonatorom su u stanju da generišu snop dobrog kvaliteta sa snagom od nekoliko vati u režimu zaključavanja.
Rad poluprovodničkog lasera kvantno-kaskadni tip se zasniva na prelazima unutar zona (za razliku od međuzonskih). Ovi uređaji emituju u srednjem infracrvenom području, ponekad u terahercnom opsegu. Koriste se, na primjer, kao gasni analizatori.
Poluprovodnički laseri: primjena i glavni aspekti
Moćni diodni laseri sa visokoefikasnim električnim pumpanjem pri umjerenim naponima koriste se kao sredstvo za napajanje visokoefikasnih lasera sa čvrstim stanjem.
Poluprovodnički laseri mogu raditi u širokom frekventnom opsegu, koji uključuje vidljive, bliske infracrvene i srednje infracrvene dijelove spektra. Stvoreni su uređaji koji takođe omogućavaju promjenu frekvencije emisije.
Laserske diode mogu brzo prebacivati i modulirati optičku snagu, što nalazi primenu u optičkim predajnicima.
Takve karakteristike su poluprovodničke lasere učinile tehnološki najvažnijim tipom kvantnih generatora. Primjenjuju se:
- u telemetrijskim senzorima, pirometrima, optičkim visinomjerima, daljinomjerima, nišanima, holografiji;
- u sistemima optičkih vlakana za optički prenos i skladištenje podataka, koherentni komunikacioni sistemi;
- u laserskim štampačima, video projektorima, pokazivačima, barkod skenerima, skenerima slika, CD playerima (DVD, CD, Blu-Ray);
- u sigurnosnim sistemima, kvantnoj kriptografiji, automatizaciji, indikatorima;
- u optičkoj metrologiji i spektroskopiji;
- u hirurgiji, stomatologiji, kozmetologiji, terapiji;
- za tretman vode,obrada materijala, lasersko pumpanje u čvrstom stanju, kontrola hemijskih reakcija, industrijsko sortiranje, industrijski inženjering, sistemi za paljenje, sistemi protivvazdušne odbrane.
Impulsni izlaz
Većina poluprovodničkih lasera generiše kontinuirani snop. Zbog kratkog vremena zadržavanja elektrona na nivou provodljivosti, oni nisu baš pogodni za generisanje impulsa sa preklopnim Q, ali kvazi-kontinuirani način rada omogućava značajno povećanje snage kvantnog generatora. Osim toga, poluvodički laseri se mogu koristiti za generiranje ultrakratkih impulsa sa zaključavanjem moda ili prebacivanjem pojačanja. Prosječna snaga kratkih impulsa je obično ograničena na nekoliko milivata, s izuzetkom optički pumpanih VECSEL lasera, čiji se izlaz mjeri viševatnim pikosekundnim impulsima sa frekvencijom od desetina gigaherca.
Modulacija i stabilizacija
Prednost kratkog zadržavanja elektrona u provodnom pojasu je sposobnost poluprovodničkih lasera za visokofrekventnu modulaciju, koja za VCSEL lasere prelazi 10 GHz. Našao je primenu u optičkom prenosu podataka, spektroskopiji, laserskoj stabilizaciji.
