Puolijohdelaserit ovat kvanttigeneraattoreita, jotka perustuvat puolijohdeaktiiviseen väliaineeseen, jossa optinen vahvistus syntyy stimuloidulla emissiolla energiatasojen välisen kvanttisiirtymän aikana, kun varauksenkuljettajia on paljon vapaalla alueella.
Puolijohdelaser: toimintaperiaate
Normaalitilassa useimmat elektronit sijaitsevat valenssitasolla. Kun fotonit toimittavat energiaa, joka ylittää epäjatkuvuusvyöhykkeen energian, puolijohteen elektronit joutuvat viritystilaan ja kielletyn alueen voitettuaan siirtyvät vapaalle alueelle keskittyen sen alareunaan. Samanaikaisesti valenssitasolle muodostuneet reiät nousevat sen ylärajalle. Vapaalla vyöhykkeellä olevat elektronit yhdistyvät uudelleen reikiin ja säteilevät fotonien muodossa energiaa, joka on yhtä suuri kuin epäjatkuvuusvyöhykkeen energia. Rekombinaatiota voidaan tehostaa fotoneilla, joilla on riittävä energiataso. Numeerinen kuvaus vastaa Fermi-jakaumafunktiota.
Laite
Puolijohdelaserlaiteon laserdiodi, jota pumpataan elektronien ja reikien energialla p-n-liitosalueella - p- ja n-johtavuuden omaavien puolijohteiden kosketuspisteessä. Lisäksi on olemassa optisella energiansyötöllä varustettuja puolijohdelasereita, joissa säde muodostuu absorboimalla valon fotoneja, sekä kvanttikaskadilasereita, joiden toiminta perustuu kaistan sisäisiin siirtymiin.
Koostumus
Sekä puolijohdelasereissa että muissa optoelektronisissa laitteissa käytetyt vakioliitännät ovat seuraavat:
- galliumarsenidi;
- galliumfosfidi;
- galliumnitridi;
- indiumfosfidi;
- indium-galliumarsenidi;
- galliumalumiiniarsenidi;
- gallium-indiumarsenidinitridi;
- gallium-indiumfosfidi.
Aallonpituus
Nämä yhdisteet ovat suoravälisiä puolijohteita. Epäsuora rako (pii) valo ei säteile riittävän vahvasti ja tehokkaasti. Diodilasersäteilyn aallonpituus riippuu fotonien energian approksimaatioasteesta tietyn yhdisteen epäjatkuvuusvyöhykkeen energiaan. 3- ja 4-komponenttisissa puolijohdeyhdisteissä epäjatkuvuusvyöhykkeen energia voi vaihdella jatkuvasti laajalla alueella. AlGaAs=AlxGa1-xKoska esimerkiksi alumiinipitoisuuden kasvu (x:n kasvu) lisää epäjatkuvuusvyöhykkeen energia.
Vaikka yleisimmät puolijohdelaserit toimivat lähi-infrapuna-alueella, jotkut säteilevät punaisia (indiumgalliumfosfidi), sinisiä tai violetteja (galliumnitridi) värejä. Keski-infrapunasäteilyä tuottavat puolijohdelaserit (lyijyselenidi) ja kvanttikaskadilaserit.
Orgaaniset puolijohteet
Edellä mainittujen epäorgaanisten yhdisteiden lisäksi voidaan käyttää myös orgaanisia. Vastaava tekniikka on vielä kehitteillä, mutta sen kehittäminen lupaa merkittävästi alentaa kvanttigeneraattoreiden tuotantokustannuksia. Toistaiseksi on kehitetty vain optisella energiansyötöllä varustettuja orgaanisia lasereita, eikä erittäin tehokasta sähköistä pumppausta ole vielä saavutettu.
Lajikkeet
On luotu monia puolijohdelasereita, joiden parametrit ja arvot eroavat toisistaan.
Pienet laserdiodit tuottavat korkealaatuisen reunasäteilysäteen, jonka teho vaihtelee useista viiteen sataan milliwattiin. Laserdiodikide on ohut suorakaiteen muotoinen levy, joka toimii a altoputkena, koska säteily rajoittuu pieneen tilaan. Kristalli on seostettu molemmilta puolilta suuren alueen p-n-liitoksen luomiseksi. Kiillotetut päät luovat optisen Fabry-Perot-resonaattorin. Resonaattorin läpi kulkeva fotoni aiheuttaa rekombinaation, säteily lisääntyy ja generointi alkaa. Käytetään laserosoittimissa, CD- ja DVD-soittimissa sekä valokuituviestinnässä.
Pienitehoiset monoliittiset laserit ja kvanttigeneraattorit, joissa on ulkoinen resonaattori lyhyiden pulssien muodostamiseksi, voivat aiheuttaa tilalukituksen.
LaseritUlkoisella resonaattorilla varustettu puolijohde koostuu laserdiodista, joka toimii vahvistimena suuremman laserresonaattorin koostumuksessa. Ne pystyvät muuttamaan aallonpituuksia ja niillä on kapea emissiokaista.
Injektiopuolijohdelasereilla on emissioalue laajakaistaisena, ja ne voivat tuottaa heikkolaatuisen säteen useiden wattien teholla. Ne koostuvat ohuesta aktiivisesta kerroksesta, joka sijaitsee p- ja n-kerroksen välissä ja muodostaa kaksoisheteroliitoksen. Ei ole olemassa mekanismia valon pitämiseksi sivusuunnassa, mikä johtaa korkeaan säteen elliptisyyteen ja liian korkeisiin kynnysvirtoihin.
Tehokkaat dioditangot, jotka koostuvat joukosta laajakaistadiodeja, pystyvät tuottamaan keskinkertaisen laatuisen säteen kymmenien wattien teholla.
Tehokkaat kaksiulotteiset diodiryhmät voivat tuottaa tehoa satojen ja tuhansien watteina.
Pintasäteily laserit (VCSEL) lähettävät korkealaatuista valonsädettä, jonka teho on useita milliwatteja kohtisuorassa levyyn nähden. Säteilypinnalle levitetään resonaattoripeilejä ¼ aallonpituisten kerrosten muodossa, joilla on erilaiset taitekertoimet. Yhdelle sirulle voidaan valmistaa useita satoja lasereita, mikä avaa mahdollisuuden massatuotantoon.
VECSEL-laserit, joissa on optinen virtalähde ja ulkoinen resonaattori, pystyvät muodostamaan hyvälaatuisen säteen useiden wattien teholla tilalukituksessa.
Puolijohdelaser-kvantti-kaskadityyppi perustuu siirtymiin vyöhykkeiden sisällä (toisin kuin vyöhykkeiden väliset). Nämä laitteet lähettävät keski-infrapuna-alueella, joskus terahertsien alueella. Niitä käytetään esimerkiksi kaasuanalysaattoreina.
Puolijohdelaserit: sovellus ja tärkeimmät näkökohdat
Tehokkaita diodilasereita, joissa on tehokas sähköinen pumppaus kohtalaisilla jännitteillä, käytetään tehonlähteenä tehokkaiden puolijohdelaserien tehostamiseksi.
Puolijohdelaserit voivat toimia laajalla taajuusalueella, joka sisältää spektrin näkyvän, lähi-infrapuna- ja keski-infrapunaosuuden. On luotu laitteita, joilla voit myös muuttaa emission taajuutta.
Laserdiodit voivat vaihtaa ja moduloida optista tehoa nopeasti, mikä soveltuu valokuitulähettimiin.
Tällaisten ominaisuuksien vuoksi puolijohdelaserit ovat teknisesti tärkein kvanttigeneraattorityyppi. Ne koskevat:
- telemetriantureissa, pyrometreissä, optisissa korkeusmittareissa, etäisyysmittauksissa, tähtäimissä, holografiassa;
- optisen siirron ja tiedon tallennuksen kuituoptisissa järjestelmissä, koherenteissa viestintäjärjestelmissä;
- lasertulostimissa, videoprojektoreissa, osoittimissa, viivakoodiskannereissa, kuvaskannereissa, CD-soittimissa (DVD, CD, Blu-Ray);
- turvajärjestelmissä, kvanttisalauksessa, automaatiossa, indikaattoreissa;
- optisessa metrologiassa ja spektroskopiassa;
- kirurgiassa, hammaslääketieteessä, kosmetologiassa, terapiassa;
- vedenkäsittelyyn,materiaalien käsittely, solid-state laserpumppaus, kemiallisten reaktioiden ohjaus, teollinen lajittelu, teollisuustekniikka, sytytysjärjestelmät, ilmapuolustusjärjestelmät.
Pulssilähtö
Useimmat puolijohdelaserit tuottavat jatkuvan säteen. Elektronien lyhyen viipymäajan johdosta johtavuustasolla ne eivät ole kovin sopivia Q-kytkentäpulssien tuottamiseen, mutta lähes jatkuva toimintatapa mahdollistaa kvanttigeneraattorin tehon merkittävän lisäyksen. Lisäksi puolijohdelasereilla voidaan tuottaa ultralyhyitä pulsseja tilan lukituksella tai vahvistuksen vaihdolla. Lyhyiden pulssien keskimääräinen teho on yleensä rajoitettu muutamaan milliwattiin, poikkeuksena optisesti pumpatut VECSEL-laserit, joiden teho mitataan usean watin pikosekunnin pulsseilla, joiden taajuus on kymmeniä gigahertsejä.
Modulaatio ja stabilointi
Elektronin lyhytaikaisen johtavuuskaistan etuna on puolijohdelaserien kyky korkeataajuiseen modulaatioon, joka VCSEL-lasereilla ylittää 10 GHz. Se on löytänyt sovelluksen optisessa tiedonsiirrossa, spektroskopiassa, laserstabiloinnissa.
