Čo je to polovodičový laser?

Od vynálezu prvého polovodičového lasera na svete v roku 1962 prešiel polovodičový laser obrovskými zmenami, ktoré výrazne podporili rozvoj ďalšej vedy a techniky a je považovaný za jeden z najväčších ľudských vynálezov 20. storočia. Za posledných desať rokov sa polovodičové lasery vyvíjali rýchlejšie a stali sa najrýchlejšie rastúcou laserovou technológiou na svete. Rozsah použitia polovodičových laserov pokrýva celú oblasť optoelektroniky a stal sa základnou technológiou dnešnej optoelektroniky. Pre výhody malých rozmerov, jednoduchej konštrukcie, nízkej vstupnej energie, dlhej životnosti, ľahkej modulácie a nízkej ceny sú polovodičové lasery široko používané v oblasti optoelektroniky a sú vysoko cenené krajinami po celom svete.

polovodičový laser
A polovodičový laserje miniaturizovaný laser, ktorý používa ako pracovnú látku Pn prechod alebo Pin prechod zložený z polovodičového materiálu s priamou medzerou v pásme. Existujú desiatky pracovných materiálov pre polovodičové lasery. Polovodičové materiály, ktoré boli vyrobené do laserov, zahŕňajú arzenid gália, arzenid india, antimonid india, sulfid kademnatý, telurid kadmia, selenid olovnatý, telurid olovnatý, arzenid hlinito-gálium, indium, fosfor, arzén atď. Existujú tri hlavné semivodivé metódy lasery, menovite typ s elektrickým vstrekovaním, typ s optickou pumpou a typ s vysokoenergetickým elektrónovým lúčom. Metóda budenia väčšiny polovodičových laserov je elektrická injekcia, to znamená, že na prechod Pn sa privedie dopredné napätie, aby sa generovala stimulovaná emisia v oblasti roviny spojenia, to znamená dióda s predpätím vpred. Preto sa polovodičové lasery nazývajú aj polovodičové laserové diódy. V prípade polovodičov, keďže elektróny prechádzajú medzi energetickými pásmami a nie diskrétnymi energetickými hladinami, prechodová energia nie je definitívna hodnota, vďaka čomu sa výstupná vlnová dĺžka polovodičových laserov rozprestiera v širokom rozsahu. na strelnici. Vlnové dĺžky, ktoré vyžarujú, sú medzi 0,3 a 34 μm. Rozsah vlnových dĺžok je určený medzerou energetického pásma použitého materiálu. Najbežnejší je AlGaAs dvojitý heterojunkčný laser, ktorý má výstupnú vlnovú dĺžku 750-890 nm.
Technológia výroby polovodičových laserov má skúsenosti od difúznej metódy po epitaxiu v kvapalnej fáze (LPE), epitaxiu v plynnej fáze (VPE), epitaxiu molekulárneho lúča (MBE), metódu MOCVD (depozíciu z pár organických zlúčenín kovov), epitaxiu chemickým lúčom (CBE) ) a ich rôzne kombinácie. Najväčšou nevýhodou polovodičových laserov je, že výkon lasera je výrazne ovplyvnený teplotou a uhol divergencie lúča je veľký (zvyčajne medzi niekoľkými stupňami a 20 stupňami), takže má nízku smerovosť, monochromatickosť a koherenciu. S prudkým rozvojom vedy a techniky však výskum polovodičových laserov napreduje smerom do hĺbky a výkon polovodičových laserov sa neustále zlepšuje. Polovodičová optoelektronická technológia s polovodičovým laserom ako jadrom dosiahne väčší pokrok a bude hrať väčšiu úlohu v informačnej spoločnosti 21. storočia.

Ako fungujú polovodičové lasery?
A polovodičový laserje koherentným zdrojom žiarenia. Aby mohol generovať laserové svetlo, musia byť splnené tri základné podmienky:
1. Podmienka zosilnenia: Je stanovená inverzná distribúcia nosičov v laserovom médiu (aktívna oblasť). V polovodiči je energetické pásmo, ktoré predstavuje energiu elektrónov, zložené zo série energetických hladín, ktoré sú takmer spojité. Preto v polovodiči Aby sa dosiahla inverzia populácie, počet elektrónov v spodnej časti vodivého pásma vysokoenergetického stavu musí byť oveľa väčší ako počet otvorov v hornej časti valenčného pásma nízkoenergetického stavu. stav medzi dvoma oblasťami energetického pásma. Heterojunkcia je predpätá, aby vstrekla potrebné nosiče do aktívnej vrstvy na excitáciu elektrónov z valenčného pásma s nižšou energiou do vodivého pásma s vyššou energiou. Stimulovaná emisia nastáva, keď sa veľké množstvo elektrónov v stave inverzie populácie rekombinuje s dierami.
2. Aby sa skutočne získalo koherentné stimulované žiarenie, musí sa stimulované žiarenie viacnásobne vrátiť späť do optického rezonátora, aby sa vytvorila laserová oscilácia. Laserový rezonátor je tvorený prirodzeným štiepnym povrchom polovodičového kryštálu vo forme zrkadla, zvyčajne vo farbe Koniec, ktorý nevyžaruje svetlo, je potiahnutý vysokoodrazovým viacvrstvovým dielektrickým filmom a povrch vyžarujúci svetlo je potiahnutý anti- reflexný film. Pre polovodičový laser F-p dutiny (Fabry-Perotova dutina) je možné dutinu F-p ľahko vytvoriť použitím prirodzenej štiepnej roviny kryštálu kolmej na rovinu p-n prechodu.
3. Aby sa vytvorila stabilná oscilácia, musí byť laserové médium schopné poskytnúť dostatočne veľký zisk na kompenzáciu optickej straty spôsobenej rezonátorom a straty spôsobenej výstupom lasera z povrchu dutiny atď., a to nepretržite zvýšiť optické pole v dutine. To si vyžaduje dostatočne silnú prúdovú injekciu, to znamená, že je dostatočná inverzia populácie, čím vyšší je stupeň inverzie populácie, tým väčší je získaný zisk, to znamená, že musí byť splnená určitá prúdová prahová podmienka. Keď laser dosiahne prahovú hodnotu, svetlo so špecifickou vlnovou dĺžkou môže rezonovať v dutine a môže byť zosilnené a nakoniec vytvorí laser a bude vystupovať nepretržite. Je vidieť, že v polovodičových laseroch je dipólový prechod elektrónov a dier základným procesom emisie svetla a zosilnenia svetla. V prípade nových polovodičových laserov sa v súčasnosti uznáva, že kvantové jamy sú základnou hnacou silou pre vývoj polovodičových laserov. To, či kvantové drôty a kvantové bodky dokážu naplno využiť kvantové efekty, sa rozšírilo do tohto storočia. Vedci sa pokúsili použiť samoorganizované štruktúry na vytvorenie kvantových bodiek v rôznych materiáloch a kvantové bodky GaInN boli použité v polovodičových laseroch.

História vývoja polovodičových laserov
Thepolovodičové laseryzo začiatku šesťdesiatych rokov minulého storočia boli homojunkčné lasery, čo boli pn spojovacie diódy vyrobené z jedného materiálu. Pri doprednom vstrekovaní veľkého prúdu sa elektróny nepretržite vstrekujú do oblasti p a otvory sa nepretržite vstrekujú do oblasti n. Preto je inverzia distribúcie nosiča realizovaná v pôvodnej oblasti vyčerpania pn spojenia. Keďže rýchlosť migrácie elektrónov je vyššia ako rýchlosť dier, v aktívnej oblasti dochádza k žiareniu a rekombinácii a dochádza k vyžarovaniu fluorescencie. lasing, polovodičový laser, ktorý môže pracovať iba v impulzoch. Druhou etapou vývoja polovodičových laserov je heteroštruktúrny polovodičový laser, ktorý je zložený z dvoch tenkých vrstiev polovodičových materiálov s rôznymi zakázanými pásmami, ako sú GaAs a GaAlAs, a prvýkrát sa objavil jediný heteroštruktúrny laser (1969). Jediný heterojunkčný injekčný laser (SHLD) je v oblasti p spoja GaAsP-N, aby sa znížila prahová prúdová hustota, ktorá je rádovo nižšia ako hustota homojunkčného lasera, ale jediný heterojunkčný laser stále nemôže pracovať nepretržite pri izbová teplota.
Od konca 70. rokov 20. storočia sa polovodičové lasery očividne vyvíjali v dvoch smeroch, jeden je informačný laser na účely prenosu informácií a druhý je výkonový laser na účely zvýšenia optického výkonu. Poháňané aplikáciami, ako sú pumpované polovodičové lasery, vysokovýkonné polovodičové lasery (trvalý výstupný výkon viac ako 100 mw a pulzný výstupný výkon viac ako 5 W možno nazvať vysokovýkonné polovodičové lasery).
V 90. rokoch nastal prelom, ktorý sa niesol v znamení výrazného zvýšenia výstupného výkonu polovodičových laserov, komercializácie vysokovýkonných polovodičových laserov na úrovni kilowattov v zahraničí a výkonu domácich vzorkových zariadení dosahujúcich 600W. Z hľadiska rozšírenia laserového pásma boli široko používané najskôr infračervené polovodičové lasery, po ktorých nasledovali 670nm červené polovodičové lasery. Potom, s príchodom vlnových dĺžok 650nm a 635nm, boli tiež úspešne vyvinuté modro-zelené a modro-svetlé polovodičové lasery jeden po druhom. Vyvíjajú sa aj fialové a dokonca ultrafialové polovodičové lasery s výkonom rádovo 10 mW. Povrchovo vyžarujúce lasery a povrchovo vyžarujúce lasery s vertikálnou dutinou sa rýchlo vyvinuli koncom 90. rokov a zvažovali sa rôzne aplikácie v superparalelnej optoelektronike. 980nm, 850nm a 780nm zariadenia sú už v optických systémoch praktické. V súčasnosti sa vo vysokorýchlostných sieťach gigabitového Ethernetu používajú lasery vyžarujúce povrch s vertikálnou dutinou.

Aplikácie polovodičových laserov
Polovodičové lasery sú triedou laserov, ktoré dozrievajú skôr a postupujú rýchlejšie. Kvôli ich širokému rozsahu vlnových dĺžok, jednoduchej výrobe, nízkej cene a ľahkej hromadnej výrobe a kvôli ich malej veľkosti, nízkej hmotnosti a dlhej životnosti majú rýchly vývoj v odrodách a aplikáciách. Široký sortiment, v súčasnosti viac ako 300 druhov.

1. Aplikácia v priemysle a technike
1) Komunikácia cez optické vlákno.Polovodičový laserje jediným praktickým zdrojom svetla pre komunikačný systém s optickými vláknami a komunikácia z optických vlákien sa stala hlavným prúdom súčasnej komunikačnej technológie.
2) Prístup k disku. Polovodičové lasery boli použité v pamäti optických diskov a ich najväčšou výhodou je, že uchováva veľké množstvo zvukových, textových a obrazových informácií. Použitie modrých a zelených laserov môže výrazne zlepšiť hustotu ukladania optických diskov.
3) Spektrálna analýza. Ďaleko-infračervené laditeľné polovodičové lasery sa používajú pri analýze okolitých plynov, monitorovaní znečistenia ovzdušia, výfukových plynov z automobilov atď. Môžu sa použiť v priemysle na monitorovanie procesu vylučovania pár.
4) Optické spracovanie informácií. V optických informačných systémoch sa používajú polovodičové lasery. Dvojrozmerné polia povrchovo vyžarujúcich polovodičových laserov sú ideálnymi svetelnými zdrojmi pre optické paralelné systémy spracovania, ktoré sa budú používať v počítačoch a optických neurónových sieťach.
5) Laserová mikrovýroba. Pomocou vysokoenergetických ultrakrátkych svetelných impulzov generovaných Q-spínanými polovodičovými lasermi je možné rezať, dierovať, integrované obvody atď.
6) Laserový alarm. Polovodičové laserové alarmy sú široko používané, vrátane alarmov proti vlámaniu, alarmov hladiny vody, alarmov vzdialenosti vozidiel atď.
7) Laserové tlačiarne. V laserových tlačiarňach boli použité vysokovýkonné polovodičové lasery. Použitie modrých a zelených laserov môže výrazne zlepšiť rýchlosť tlače a rozlíšenie.
8) Laserový snímač čiarových kódov. Polovodičové laserové snímače čiarových kódov sa široko používajú pri predaji tovaru a správe kníh a archívov.
9) Čerpacie pevnolátkové lasery. Toto je dôležitá aplikácia vysokovýkonných polovodičových laserov. Jeho použitím na nahradenie pôvodnej atmosférickej lampy možno vytvoriť celopevný laserový systém.
10) Laserový televízor s vysokým rozlíšením. V blízkej budúcnosti sa odhaduje, že polovodičové laserové televízory bez katódových trubíc, ktoré využívajú červený, modrý a zelený laser, spotrebujú o 20 percent menej energie ako existujúce televízory.

2. Aplikácie v medicínskom a vednom výskume
1) Laserová operácia.Polovodičové laserysa používajú na abláciu mäkkých tkanív, viazanie tkanív, koaguláciu a vaporizáciu. Táto technika je široko používaná vo všeobecnej chirurgii, plastickej chirurgii, dermatológii, urológii, pôrodníctve a gynekológii atď.
2) Laserová dynamická terapia. Fotosenzitívne látky, ktoré majú afinitu k nádoru, sa selektívne akumulujú v rakovinovom tkanive a rakovinové tkanivo sa ožaruje polovodičovým laserom, aby sa generovali reaktívne formy kyslíka, s cieľom urobiť ho nekrotickým bez poškodenia zdravého tkaniva.
3) Výskum v oblasti biologických vied. Pomocou "optickej pinzety" zpolovodičové lasery, je možné zachytiť živé bunky alebo chromozómy a presunúť ich do ľubovoľnej polohy. Používa sa na podporu syntézy buniek a štúdií bunkových interakcií a môže sa použiť aj ako diagnostická technológia na zhromažďovanie forenzných dôkazov.