Laserele cu semiconductor sunt generatoare cuantice bazate pe un mediu activ semiconductor în care amplificarea optică este creată prin emisie stimulată în timpul unei tranziții cuantice între nivelurile de energie la o concentrație mare de purtători de sarcină în zona liberă.
Laser cu semiconductor: principiul de funcționare
În starea normală, majoritatea electronilor sunt localizați la nivelul de valență. Când fotonii furnizează energie care depășește energia zonei de discontinuitate, electronii semiconductorului intră într-o stare de excitație și, depășind zona interzisă, trec în zona liberă, concentrându-se la marginea sa inferioară. Simultan, găurile formate la nivelul de valență se ridică până la limita sa superioară. Electronii din zona liberă se recombină cu găurile, radiind o energie egală cu energia zonei de discontinuitate sub formă de fotoni. Recombinarea poate fi îmbunătățită de fotoni cu niveluri suficiente de energie. Descrierea numerică corespunde funcției de distribuție Fermi.
Dispozitiv
Dispozitiv laser cu semiconductoreste o diodă laser pompată cu energia electronilor și a găurilor în zona de joncțiune p-n - punctul de contact al semiconductorilor cu conductivitate de tip p și n. În plus, există lasere semiconductoare cu alimentare cu energie optică, în care fasciculul este format prin absorbția de fotoni ai luminii, precum și lasere cuantice în cascadă, a căror funcționare se bazează pe tranziții în interiorul benzilor.
Compoziție
Conexiunile standard utilizate atât la laserele semiconductoare, cât și la alte dispozitive optoelectronice sunt următoarele:
- arseniura de galiu;
- fosfură de galiu;
- nitrură de galiu;
- fosfură de indiu;
- arseniura de indiu-galiu;
- arseniura de galiu aluminiu;
- nitrură de arseniură de galiu-indiu;
- fosfură de galiu-indiu.
Lungime de undă
Acești compuși sunt semiconductori cu spațiu direct. Lumina cu decalaj indirect (siliciu) nu emite cu suficientă putere și eficiență. Lungimea de undă a radiației laser a diodei depinde de gradul de aproximare a energiei fotonului cu energia zonei de discontinuitate a unui anumit compus. În compușii semiconductori cu 3 și 4 componente, energia zonei de discontinuitate poate varia continuu într-un interval larg. Pentru AlGaAs=AlxGa1-xAs, de exemplu, o creștere a conținutului de aluminiu (o creștere a x) are ca rezultat o creștere a energia zonei de discontinuitate.
În timp ce cele mai comune lasere cu semiconductori funcționează în infraroșu apropiat, unele emit culori roșii (fosfură de indiu galiu), albastru sau violet (nitrură de galiu). Radiația în infraroșu mediu este produsă de laserele semiconductoare (seleniră de plumb) și laserele cu cascadă cuantică.
Semiconductori organici
Pe lângă compușii anorganici menționați mai sus, pot fi utilizați și cei organici. Tehnologia corespunzătoare este încă în curs de dezvoltare, dar dezvoltarea sa promite să reducă semnificativ costul de producție al generatoarelor cuantice. Până acum, au fost dezvoltate doar lasere organice cu alimentare cu energie optică, iar pomparea electrică foarte eficientă nu a fost încă realizată.
Soiuri
Au fost create multe lasere semiconductoare, care diferă ca parametri și valoarea aplicată.
Diodele laser mici produc un fascicul de radiație de în altă calitate, a cărui putere variază de la câteva la cinci sute de miliwați. Cristalul diodei laser este o placă dreptunghiulară subțire care servește drept ghid de undă, deoarece radiația este limitată la un spațiu mic. Cristalul este dopat pe ambele părți pentru a crea o joncțiune p-n a unei zone mari. Capetele lustruite creează un rezonator optic Fabry-Perot. Un foton care trece prin rezonator va provoca recombinare, radiația va crește și va începe generarea. Folosit în pointere laser, playere CD și DVD și comunicații prin fibră optică.
Laserele monolitice de putere redusă și generatoarele cuantice cu un rezonator extern pentru a forma impulsuri scurte pot produce blocarea modului.
Lasersemiconductorul cu rezonator extern este format dintr-o diodă laser, care joacă rolul unui mediu de amplificare în compoziția unui rezonator laser mai mare. Sunt capabili să schimbe lungimile de undă și au o bandă de emisie îngustă.
Laserele cu semiconductor de injecție au o regiune de emisie sub formă de bandă largă, pot genera un fascicul de calitate scăzută cu o putere de câțiva wați. Ele constau dintr-un strat activ subțire situat între stratul p și n, formând o dublă heterojuncție. Nu există niciun mecanism pentru menținerea luminii în direcția laterală, ceea ce are ca rezultat o elipticitate mare a fasciculului și curenți de prag inacceptabil de înalți.
Barele de diode puternice, constând dintr-o serie de diode în bandă largă, sunt capabile să producă un fascicul de calitate mediocră cu o putere de zeci de wați.
Matricele puternice bidimensionale de diode pot genera energie de sute și mii de wați.
Laserele cu emisie de suprafață (VCSEL) emit un fascicul de lumină de în altă calitate cu o putere de câțiva miliwați perpendicular pe placă. Oglinzile rezonatoare sunt aplicate pe suprafața de radiație sub formă de straturi de ¼ lungime de undă cu indici diferiți de refracție. Se pot realiza câteva sute de lasere pe un singur cip, ceea ce deschide posibilitatea producției în masă.
Laserele VECSEL cu alimentare optică și un rezonator extern sunt capabile să genereze un fascicul de bună calitate cu o putere de câțiva wați în modul blocare.
Funcționarea unui laser cu semiconductor cuantic-tipul de cascadă se bazează pe tranziții în interiorul zonelor (spre deosebire de interzone). Aceste dispozitive emit în regiunea infraroșu mijlociu, uneori în intervalul teraherți. Sunt folosiți, de exemplu, ca analizoare de gaze.
Laserele semiconductoare: aplicații și aspecte principale
Laserele cu diode puternice cu pompare electrică de în altă eficiență la tensiuni moderate sunt folosite ca mijloc de alimentare a laserelor cu stare solidă de în altă eficiență.
Laserele cu semiconductori pot funcționa pe o gamă largă de frecvențe, care include porțiunile vizibile, infraroșu apropiat și infraroșu mediu ale spectrului. Au fost create dispozitive care vă permit, de asemenea, să schimbați frecvența emisiei.
Diodele laser pot comuta și modula rapid puterea optică, ceea ce găsește aplicație în transmițătoarele cu fibră optică.
Astfel de caracteristici au făcut din laserele cu semiconductori cel mai important tip de generatoare cuantice din punct de vedere tehnologic. Se aplică:
- în senzori de telemetrie, pirometre, altimetre optice, telemetrie, obiective, holografie;
- în sistemele cu fibră optică de transmisie optică și stocare a datelor, sisteme de comunicații coerente;
- în imprimante laser, proiectoare video, indicatori, scanere de coduri de bare, scanere de imagini, CD playere (DVD, CD, Blu-Ray);
- în sisteme de securitate, criptografie cuantică, automatizare, indicatori;
- în metrologie optică și spectroscopie;
- în chirurgie, stomatologie, cosmetologie, terapie;
- pentru tratarea apei,procesare materiale, pompare cu laser în stare solidă, control al reacțiilor chimice, sortare industrială, inginerie industrială, sisteme de aprindere, sisteme de apărare antiaeriană.
Ieșire impuls
Majoritatea laserelor semiconductoare generează un fascicul continuu. Datorită timpului scurt de rezidență al electronilor la nivelul conducției, aceștia nu sunt prea pretabili pentru generarea de impulsuri Q-switched, dar modul de funcționare cvasi-continuu permite o creștere semnificativă a puterii generatorului cuantic. În plus, laserele cu semiconductori pot fi folosite pentru a genera impulsuri ultrascurte cu blocare a modului sau comutare a câștigului. Puterea medie a impulsurilor scurte este de obicei limitată la câțiva miliwați, cu excepția laserelor VECSEL pompate optic, a căror ieșire este măsurată prin impulsuri de picosecunde de mai multe wați cu o frecvență de zeci de gigaherți.
Modulare și stabilizare
Avantajul șederii scurte a unui electron în banda de conducție este capacitatea laserelor semiconductoare de a modula frecvența în altă, care pentru laserele VCSEL depășește 10 GHz. A găsit aplicație în transmisia optică de date, spectroscopie, stabilizare cu laser.
