Напівпровідникові лазери: види, будова, принцип роботи, застосування

Напівпровідникові лазери є квантовими генераторами на основі напівпровідникової активної середовища, у якій оптичне посилення створюється вимушеним випромінюванням при квантовому переході між енергетичними рівнями при великій концентрації носіїв заряду у вільній зоні.

Напівпровідниковий лазер: принцип роботи

У звичайному стані більшість електронів розташоване на рівні валентності. При підводі фотонами енергії, перевищує енергію зони розриву, електрони напівпровідника приходять у стан збудження і, подолавши заборонену зону, переходять у вільну зону, концентруючись у її нижнього краю. Одночасно дірки, що утворилися на валентном рівні, піднімаються до її верхньої межі. Електрони у вільну зону рекомбінують з дірками, випромінюючи енергію, рівну енергії зони розриву, у вигляді фотонів. Рекомбінація може бути посилена фотонами з достатнім рівнем енергії. Чисельне опис відповідає функції розподілу Фермі.

Пристрій

Пристрій напівпровідникового лазера являє собою лазерний діод, накачується енергією електронів і дірок у зоні р-n-переходу – місці зіткнення з провідністю напівпровідників p - і n-типу. Крім того, існують напівпровідникові лазери з оптичним підведенням енергії, в яких пучок формується при поглинанні фотонів світла, а також квантові каскадні лазери, робота яких заснована на переходах всередині зон.

Склад

Стандартні з'єднання, використовувані як у напівпровідникових лазерах, так і в інших оптоелектронних пристроях, наступні:

арсенід галію;

фосфід галію;

нітрид галію;

фосфід індію;

арсенід індію, галію;

арсенід алюмінію галію;

арсенід-нітрид галію-індію;

фосфід галію-індію.

Довжина хвилі

Ці сполуки – прямозонные напівпровідники. Непрямозонные (кремній) світла з достатньою силою і ефективністю не випромінюють. Довжина хвилі випромінювання діодного лазера залежить від мірою наближення енергії фотона до енергії зони розриву конкретного з'єднання. У 3 - і 4-компонентних з'єднаннях напівпровідників енергія зони розриву може безперервно змінюватися в широкому діапазоні. У AlGaAs = Al x Ga 1-х As, наприклад, збільшення вміст алюмінію (збільшення х) має наслідком зростання енергії зони розриву.


У той час як найбільш поширені напівпровідникові лазери працюють в ближній ІЧ частини спектру, деякі випромінюють червоне (фосфід галій-індія), синій або фіолетовий (нітрид галію) кольору. Середня інфрачервоне випромінювання створюють напівпровідникові лазери (селенід свинцю) і квантові каскадні лазери.

Органічні напівпровідники

Крім вищезазначених неорганічних сполук, що можуть застосовуватися і органічні. Відповідна технологія все ще перебуває в стадії розробки, але її розвиток обіцяє значно здешевити виробництво квантових генераторів. Поки лише розроблені органічні лазери з оптичним підведенням енергії, а високоефективна електрична накачування ще не досягнута.

Різновиди

Створено безліч напівпровідникових лазерів, що відрізняються параметрами і прикладним значенням. Малі лазерні діоди виробляють якісний пучок торцевого випромінювання, потужність якого коливається від кількох до п'ятисот мілліватт. Кристал лазерного діоду являє собою тонку пластинку прямокутної форми, яка служить хвилеводом, так як випромінювання обмежена невеликим простором. Кристал легується з двох сторін для створення p-n-переходу великої площі. Поліровані торці створюють оптичний резонатор Фабрі - Перо. Фотон, проходячи через резонатор, викличе рекомбінацію, випромінювання буде зростати, і почнеться генерація. Застосовуються в лазерних покажчиках, CD - і DVD-програвачах, а також у оптоволоконного зв'язку.
Малопотужні монолітні лазери і квантові генератори з зовнішнім резонатором для формування коротких імпульсів можуть робити синхронізацію мод. Напівпровідникові лазери з зовнішнім резонатором складаються з лазера-діода, що грає роль підсилює середовища у складі більшого лазер-резонатора. Здатні змінювати довжини хвиль і мають вузьку смугу випромінювання. Інжекційні напівпровідникові лазери мають область випромінювання у вигляді широкої смуги, можуть генерувати пучок низької якості потужністю декілька ватів. Складаються з тонкого активного шару, розташованого між p - і n-шаром, утворюючи подвійний гетеропереход. Механізм утримання світла в бічному напрямку відсутній, що має наслідком високу еліптичність пучка і неприйнятно високі граничні струми. Потужні діодні лінійки, що складаються з масиву широкосмугових діодів, здатні виробляти промінь посередньої якості потужністю в десятки ватт. Потужні двовимірні масиви діодів можуть генерувати потужність в сотні і тисячі ватт. Поверхнево-випромінюючі лазери (VCSEL) випускають якісний пучок світла потужністю в декілька міліват перпендикулярно до пластини. На поверхні випромінювання наносять дзеркала резонатора у вигляді шарів у 1/4 діни хвилі з різними показниками заломлення. На одному кристалі можна виготовити кілька сотень лазерів, що відкриває можливість їх масового виробництва. Лазери VECSEL c оптичним підведенням енергії і зовнішнім резонатором здатні генерувати пучок хорошої якості потужністю в декілька ватів при синхронізації мод. Робота напівпровідникового лазера квантово-каскадного типу заснована на переходах всередині зон (на відміну від междузонных). Ці пристрої випромінюють в середній області інфрачервоній частині спектра, іноді в терагерцевому діапазоні. Їх використовують, наприклад, в якості газоаналізаторів.

Напівпровідникові лазери: застосування і основні аспекти

Потужні діодні лазери з високоефективною електричної накачуванням при помірних напругах використовуються в якості засобів підведення енергії високоефективних твердотільних лазерів. Напівпровідникові лазери можуть працювати у великому діапазоні частот, який включає видиму, ближню інфрачервону і середню інфрачервону частину спектру. Створено пристрої, що дозволяють змінювати частоту издучения. Лазерні діоди можуть швидко перемикати і модулювати оптичну потужність, що знаходить застосування в передавачах оптоволоконних ліній зв'язку. Такі характеристики зробили напівпровідникові лазери технологічно найбільш важливим типом квантових генераторів. Вони застосовуються:

у датчиках телеметрії, пирометрах, оптичних высотомерах, дальномерах, прицілах, голографії;

в оптоволоконних системах оптичної передачі і зберігання даних, системах когерентної зв'язку;

у лазерних принтерах, видеопроекторах, покажчиках, сканерах штрих-коду, сканерах зображень, програвачах компакт-дисків (DVD, CD, Blu-Ray);

у охоронних системах, квантової криптографії, автоматиці, індикаторах;

в оптичній метрології та спектроскопії;

у хірургії, стоматології, косметології, терапії;

для очищення води, обробки матеріалів, накачування твердотільних лазерів, контролю хімічних реакцій, промислової сортування, промисловому машинобудуванні, системи запалювання, системи ППО.

Імпульсний вихід

Більшість напівпровідникових лазерів генерує безперервний пучок. З-за короткої тривалості перебування електронів на рівні провідності вони не дуже підходять для генерації імпульсів з модуляцією добротності, але квазинепрерывный режим роботи дозволяє значно підвищити потужність квантового генератора. Крім того, напівпровідникові лазери можуть бути використані для формування надкоротких імпульсів з синхронізацією мод або перемиканням коефіцієнта посилення. Середня потужність коротких імпульсів, як правило, обмежується декількома милливаттами, за винятком VECSEL-лазерів з оптичним накачуванням, вихід яких вимірюється багатоватними пикосекундными імпульсами частотою в десятки гігагерц.

Модуляція і стабілізація

Перевагою короткочасного перебування електрона в зоні провідності є здатність напівпровідникових лазерів до високочастотного модулированию, яке у VCSEL-лазерів перевищує 10 ГГц. Це знайшло застосування в оптичної передачі даних, спектроскопії, стабілізації лазерів.