Τα λέιζερ ημιαγωγών είναι κβαντικές γεννήτριες που βασίζονται σε ένα ενεργό μέσο ημιαγωγών στο οποίο η οπτική ενίσχυση δημιουργείται από διεγερμένη εκπομπή κατά τη διάρκεια μιας κβαντικής μετάβασης μεταξύ των επιπέδων ενέργειας σε υψηλή συγκέντρωση φορέων φορτίου στην ελεύθερη ζώνη.
Λέιζερ ημιαγωγών: αρχή λειτουργίας
Στην κανονική κατάσταση, τα περισσότερα ηλεκτρόνια βρίσκονται στο επίπεδο σθένους. Όταν τα φωτόνια παρέχουν ενέργεια που υπερβαίνει την ενέργεια της ζώνης ασυνέχειας, τα ηλεκτρόνια του ημιαγωγού έρχονται σε κατάσταση διέγερσης και, έχοντας ξεπεράσει την απαγορευμένη ζώνη, περνούν στην ελεύθερη ζώνη, συγκεντρώνοντας στο κάτω άκρο του. Ταυτόχρονα, οι οπές που σχηματίζονται στο επίπεδο σθένους ανεβαίνουν στο ανώτερο όριο του. Τα ηλεκτρόνια στην ελεύθερη ζώνη ανασυνδυάζονται με οπές, εκπέμποντας ενέργεια ίση με την ενέργεια της ζώνης ασυνέχειας με τη μορφή φωτονίων. Ο ανασυνδυασμός μπορεί να ενισχυθεί από φωτόνια με επαρκή ενεργειακά επίπεδα. Η αριθμητική περιγραφή αντιστοιχεί στη συνάρτηση κατανομής Fermi.
Συσκευή
Συσκευή λέιζερ ημιαγωγώνείναι μια δίοδος λέιζερ που αντλείται με την ενέργεια ηλεκτρονίων και οπών στη ζώνη διασταύρωσης p-n - το σημείο επαφής των ημιαγωγών με αγωγιμότητα τύπου p και n. Επιπλέον, υπάρχουν λέιζερ ημιαγωγών με παροχή οπτικής ενέργειας, στα οποία η δέσμη σχηματίζεται με απορρόφηση φωτονίων φωτός, καθώς και κβαντικά λέιζερ καταρράκτη, των οποίων η λειτουργία βασίζεται σε μεταβάσεις εντός ζωνών.
Σύνθεση
Οι τυπικές συνδέσεις που χρησιμοποιούνται τόσο σε λέιζερ ημιαγωγών όσο και σε άλλες οπτικοηλεκτρονικές συσκευές είναι οι εξής:
- αρσενίδιο γαλλίου;
- φωσφίδιο γαλλίου;
- νιτρίδιο γαλλίου;
- φωσφίδιο ινδίου;
- αρσενίδιο ινδίου-γαλλίου;
- αρσενίδιο αλουμινίου γαλλίου;
- νιτρίδιο αρσενίδιο γάλλιο-ινδίου;
- φωσφίδιο γάλλιο-ινδίου.
Μήκος κύματος
Αυτές οι ενώσεις είναι ημιαγωγοί με άμεσο διάκενο. Το φως με έμμεσο διάκενο (πυρίτιο) δεν εκπέμπει με επαρκή αντοχή και απόδοση. Το μήκος κύματος της ακτινοβολίας λέιζερ διόδου εξαρτάται από τον βαθμό προσέγγισης της ενέργειας των φωτονίων με την ενέργεια της ζώνης ασυνέχειας μιας συγκεκριμένης ένωσης. Σε ενώσεις ημιαγωγών 3 και 4 συστατικών, η ενέργεια της ζώνης ασυνέχειας μπορεί να ποικίλλει συνεχώς σε ένα ευρύ φάσμα. Για AlGaAs=AlxGa1-xΌπως, για παράδειγμα, μια αύξηση στην περιεκτικότητα σε αλουμίνιο (αύξηση σε x) έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του ενέργεια της ζώνης ασυνέχειας.
Ενώ τα πιο κοινά λέιζερ ημιαγωγών λειτουργούν στο εγγύς υπέρυθρο, μερικά εκπέμπουν κόκκινα (φωσφίδιο γαλλίου ίνδιο), μπλε ή μοβ (νιτρίδιο του γαλλίου) χρώματα. Η μεσαία υπέρυθρη ακτινοβολία παράγεται από λέιζερ ημιαγωγών (σεληνίδιο μολύβδου) και κβαντικά λέιζερ καταρράκτη.
Οργανικοί ημιαγωγοί
Εκτός από τις προαναφερθείσες ανόργανες ενώσεις, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και οργανικές. Η αντίστοιχη τεχνολογία βρίσκεται ακόμη υπό ανάπτυξη, αλλά η ανάπτυξή της υπόσχεται να μειώσει σημαντικά το κόστος παραγωγής κβαντικών γεννητριών. Μέχρι στιγμής, έχουν αναπτυχθεί μόνο οργανικά λέιζερ με παροχή οπτικής ενέργειας και δεν έχει ακόμη επιτευχθεί ηλεκτρική άντληση υψηλής απόδοσης.
Ποικιλίες
Έχουν δημιουργηθεί πολλά λέιζερ ημιαγωγών, που διαφέρουν ως προς τις παραμέτρους και την εφαρμοσμένη τιμή.
Μικρές δίοδοι λέιζερ παράγουν μια υψηλής ποιότητας δέσμη ακτινοβολίας ακμών, η ισχύς της οποίας κυμαίνεται από αρκετά έως πεντακόσια milliwatts. Ο κρύσταλλος της διόδου λέιζερ είναι μια λεπτή ορθογώνια πλάκα που χρησιμεύει ως κυματοδηγός, αφού η ακτινοβολία περιορίζεται σε μικρό χώρο. Ο κρύσταλλος είναι ντοπαρισμένος και στις δύο πλευρές για να δημιουργήσει μια σύνδεση p-n μιας μεγάλης περιοχής. Τα γυαλισμένα άκρα δημιουργούν ένα οπτικό αντηχείο Fabry-Perot. Ένα φωτόνιο που διέρχεται από τον συντονιστή θα προκαλέσει ανασυνδυασμό, η ακτινοβολία θα αυξηθεί και η παραγωγή θα ξεκινήσει. Χρησιμοποιείται σε δείκτες λέιζερ, συσκευές αναπαραγωγής CD και DVD και επικοινωνίες οπτικών ινών.
Μονολιθικά λέιζερ χαμηλής ισχύος και κβαντικές γεννήτριες με εξωτερικό συντονιστή για σχηματισμό σύντομων παλμών μπορούν να δημιουργήσουν κλείδωμα λειτουργίας.
Λέιζερο ημιαγωγός με εξωτερικό συντονιστή αποτελείται από μια δίοδο λέιζερ, η οποία παίζει το ρόλο ενός ενισχυτικού μέσου στη σύνθεση ενός μεγαλύτερου αντηχείου λέιζερ. Είναι ικανά να αλλάζουν μήκη κύματος και έχουν στενή ζώνη εκπομπής.
Τα λέιζερ ημιαγωγών έγχυσης έχουν περιοχή εκπομπής με τη μορφή ευρείας ζώνης, μπορούν να δημιουργήσουν δέσμη χαμηλής ποιότητας με ισχύ πολλών Watt. Αποτελούνται από ένα λεπτό ενεργό στρώμα που βρίσκεται ανάμεσα στο p- και το n-στρώμα, σχηματίζοντας μια διπλή ετεροσύνδεση. Δεν υπάρχει μηχανισμός για τη διατήρηση του φωτός στην πλευρική κατεύθυνση, κάτι που οδηγεί σε ελλειπτικότητα μεγάλης δέσμης και απαράδεκτα υψηλά ρεύματα κατωφλίου.
Ισχυρές ράβδοι διόδων, που αποτελούνται από μια σειρά διόδων ευρείας ζώνης, είναι ικανές να παράγουν μια δέσμη μέτριας ποιότητας με ισχύ δεκάδων watt.
Ισχυρές δισδιάστατες συστοιχίες διόδων μπορούν να παράγουν ισχύ σε εκατοντάδες και χιλιάδες watt.
Λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια (VCSEL) εκπέμπουν μια δέσμη φωτός υψηλής ποιότητας με ισχύ πολλών milliwatts κάθετα στην πλάκα. Τα κάτοπτρα συντονισμού εφαρμόζονται στην επιφάνεια ακτινοβολίας με τη μορφή στρώσεων μήκους κύματος ¼ με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης. Μπορούν να κατασκευαστούν πολλές εκατοντάδες λέιζερ σε ένα μόνο τσιπ, το οποίο ανοίγει τη δυνατότητα μαζικής παραγωγής.
Τα λέιζερ VECSEL με οπτική τροφοδοσία και εξωτερικό αντηχείο μπορούν να παράγουν μια δέσμη καλής ποιότητας με ισχύ πολλών watt σε λειτουργία κλειδώματος.
Η λειτουργία ενός κβαντικού λέιζερ ημιαγωγών-Ο τύπος καταρράκτη βασίζεται σε μεταβάσεις εντός των ζωνών (σε αντίθεση με τις διαζώνες). Αυτές οι συσκευές εκπέμπουν στην περιοχή του μεσαίου υπέρυθρου, μερικές φορές στην περιοχή των terahertz. Χρησιμοποιούνται, για παράδειγμα, ως αναλυτές αερίων.
Λέιζερ ημιαγωγών: εφαρμογή και κύριες πτυχές
Ισχυρά λέιζερ διόδων με ηλεκτρική άντληση υψηλής απόδοσης σε μέτριες τάσεις χρησιμοποιούνται ως μέσο τροφοδοσίας λέιζερ στερεάς κατάστασης υψηλής απόδοσης.
Τα λέιζερ ημιαγωγών μπορούν να λειτουργήσουν σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων, το οποίο περιλαμβάνει το ορατό, το εγγύς υπέρυθρο και το μεσαίο υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Έχουν δημιουργηθεί συσκευές που σας επιτρέπουν επίσης να αλλάξετε τη συχνότητα της εκπομπής.
Οι δίοδοι λέιζερ μπορούν να αλλάξουν και να διαμορφώσουν γρήγορα την οπτική ισχύ, η οποία βρίσκει εφαρμογή σε πομπούς οπτικών ινών.
Τέτοια χαρακτηριστικά έχουν κάνει τα λέιζερ ημιαγωγών τεχνολογικά τον πιο σημαντικό τύπο κβαντικών γεννητριών. Ισχύουν:
- σε αισθητήρες τηλεμετρίας, πυρόμετρα, οπτικά υψόμετρα, αποστασιόμετρο, σκοπευτικά, ολογραφία;
- σε συστήματα οπτικών ινών οπτικής μετάδοσης και αποθήκευσης δεδομένων, συνεκτικά συστήματα επικοινωνίας;
- σε εκτυπωτές λέιζερ, βιντεοπροβολείς, δείκτες, σαρωτές γραμμωτού κώδικα, σαρωτές εικόνας, συσκευές αναπαραγωγής CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- σε συστήματα ασφαλείας, κβαντική κρυπτογραφία, αυτοματισμό, δείκτες;
- στην οπτική μετρολογία και φασματοσκοπία;
- στη χειρουργική, την οδοντιατρική, την κοσμετολογία, τη θεραπεία;
- για επεξεργασία νερού,επεξεργασία υλικών, άντληση λέιζερ στερεάς κατάστασης, έλεγχος χημικών αντιδράσεων, βιομηχανική διαλογή, βιομηχανική μηχανική, συστήματα ανάφλεξης, συστήματα αεράμυνας.
Έξοδος παλμών
Τα περισσότερα λέιζερ ημιαγωγών παράγουν μια συνεχή δέσμη. Λόγω του μικρού χρόνου παραμονής των ηλεκτρονίων στο επίπεδο αγωγιμότητας, δεν είναι πολύ κατάλληλα για τη δημιουργία παλμών με μεταγωγή Q, αλλά ο σχεδόν συνεχής τρόπος λειτουργίας επιτρέπει σημαντική αύξηση της ισχύος της κβαντικής γεννήτριας. Επιπλέον, τα λέιζερ ημιαγωγών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία υπερμικρών παλμών με κλείδωμα λειτουργίας ή εναλλαγή απολαβής. Η μέση ισχύς των σύντομων παλμών περιορίζεται συνήθως σε μερικά χιλιοστά του βάτ, με εξαίρεση τα λέιζερ VECSEL με οπτική άντληση, η ισχύς των οποίων μετράται με παλμούς picosecond πολλαπλών βατ με συχνότητα δεκάδων gigahertz.
Διαμόρφωση και σταθεροποίηση
Το πλεονέκτημα της σύντομης παραμονής ενός ηλεκτρονίου στη ζώνη αγωγιμότητας είναι η ικανότητα των λέιζερ ημιαγωγών σε διαμόρφωση υψηλής συχνότητας, η οποία για λέιζερ VCSEL υπερβαίνει τα 10 GHz. Έχει βρει εφαρμογή σε οπτική μετάδοση δεδομένων, φασματοσκοπία, σταθεροποίηση λέιζερ.
