Co to jest laser półprzewodnikowy?

Od czasu wynalezienia pierwszego na świecie lasera półprzewodnikowego w 1962 roku, laser półprzewodnikowy przeszedł ogromne zmiany, znacznie promując rozwój innych nauk i technologii, i jest uważany za jeden z największych wynalazków ludzkości w XX wieku. W ciągu ostatnich dziesięciu lat lasery półprzewodnikowe rozwijały się szybciej i stały się najszybciej rozwijającą się technologią laserową na świecie. Zakres zastosowań laserów półprzewodnikowych obejmuje całą dziedzinę optoelektroniki i stał się podstawową technologią dzisiejszej nauki optoelektronicznej. Ze względu na zalety małych rozmiarów, prostej konstrukcji, niskiej energii wejściowej, długiej żywotności, łatwej modulacji i niskiej ceny, lasery półprzewodnikowe są szeroko stosowane w dziedzinie optoelektroniki i cieszą się dużym uznaniem w krajach na całym świecie.

laser półprzewodnikowy
A laser półprzewodnikowyjest zminiaturyzowanym laserem, który wykorzystuje jako substancję roboczą złącze Pn lub złącze Pin składające się z materiału półprzewodnikowego z bezpośrednim pasmem wzbronionym. Istnieją dziesiątki materiałów do obróbki laserów półprzewodnikowych. Materiały półprzewodnikowe, z których wykonano lasery, obejmują arsenek galu, arsenek indu, antymonek indu, siarczek kadmu, tellurek kadmu, selenek ołowiu, tellurek ołowiu, arsenek glinu galu, fosfor, arsen itp. Istnieją trzy główne metody wzbudzania półprzewodników lasery, a mianowicie typu wtrysku elektrycznego, typu pompy optycznej i typu wzbudzania wiązką elektronów o wysokiej energii. Metoda wzbudzenia większości laserów półprzewodnikowych polega na wstrzykiwaniu elektrycznym, co oznacza, że ​​do złącza Pn przykładane jest napięcie przewodzenia w celu wygenerowania stymulowanej emisji w obszarze płaszczyzny złącza, czyli diody spolaryzowanej w przód. Dlatego lasery półprzewodnikowe są również nazywane półprzewodnikowymi diodami laserowymi. W przypadku półprzewodników, ponieważ elektrony przechodzą między pasmami energii, a nie dyskretnymi poziomami energii, energia przejścia nie jest określoną wartością, co powoduje, że długość fali wyjściowej laserów półprzewodnikowych rozciąga się w szerokim zakresie. na strzelnicy. Emitowane przez nie długości fal wynoszą od 0,3 do 34 μm. Zakres długości fal jest określony przez przerwę energetyczną użytego materiału. Najpopularniejszym jest laser podwójnego heterozłącza AlGaAs, który ma długość fali wyjściowej 750-890 nm.
Technologia wytwarzania lasera półprzewodnikowego przeszła od metody dyfuzyjnej do epitaksji w fazie ciekłej (LPE), epitaksji z fazy gazowej (VPE), epitaksji z wiązki molekularnej (MBE), metody MOCVD (osadzanie z fazy gazowej związków metaloorganicznych), epitaksji z wiązki chemicznej (CBE) ) i różne ich kombinacje. Największą wadą laserów półprzewodnikowych jest to, że na wydajność lasera duży wpływ ma temperatura, a kąt rozbieżności wiązki jest duży (zwykle od kilku stopni do 20 stopni), przez co ma słabą kierunkowość, monochromatyczność i spójność. Jednak wraz z szybkim rozwojem nauki i techniki badania nad laserami półprzewodnikowymi postępują w kierunku głębi, a wydajność laserów półprzewodnikowych stale się poprawia. Półprzewodnikowa technologia optoelektroniczna z laserem półprzewodnikowym jako rdzeniem poczyni większe postępy i odegra większą rolę w społeczeństwie informacyjnym XXI wieku.

Jak działają lasery półprzewodnikowe?
A laser półprzewodnikowyjest spójnym źródłem promieniowania. Aby mógł generować światło lasera, muszą być spełnione trzy podstawowe warunki:
1. Warunek wzmocnienia: Ustalony jest rozkład inwersji nośników w ośrodku laserowym (obszar aktywny). W półprzewodniku pasmo energii reprezentujące energię elektronów składa się z szeregu poziomów energii, które są bliskie ciągłości. Dlatego w półprzewodniku Aby uzyskać inwersję populacji, liczba elektronów na dole pasma przewodnictwa stanu wysokoenergetycznego musi być znacznie większa niż liczba dziur na górze pasma walencyjnego stanu niskoenergetycznego stan między dwoma regionami pasma energetycznego. Heterozłącze jest przesunięte do przodu, aby wprowadzić niezbędne nośniki do warstwy aktywnej, aby wzbudzić elektrony z pasma walencyjnego o niższej energii do pasma przewodnictwa o wyższej energii. Emisja stymulowana występuje, gdy duża liczba elektronów w stanie inwersji populacji rekombinuje z dziurami.
2. Aby rzeczywiście uzyskać spójne promieniowanie stymulowane, stymulowane promieniowanie musi być wielokrotnie wprowadzane z powrotem do rezonatora optycznego w celu wytworzenia oscylacji lasera. Rezonator laserowy jest utworzony przez naturalną powierzchnię rozszczepienia kryształu półprzewodnika jako lustro, zwykle koniec, który nie emituje światła, jest pokryty wielowarstwową folią dielektryczną o wysokim współczynniku odbicia, a powierzchnia emitująca światło jest pokryta anty- film refleksyjny. W przypadku lasera półprzewodnikowego wnęki F-p (wnęka Fabry'ego-Perota), wnękę F-p można łatwo utworzyć, stosując naturalną płaszczyznę rozszczepienia kryształu prostopadłą do płaszczyzny złącza p-n.
3. Aby wytworzyć stabilną oscylację, ośrodek laserowy musi być w stanie zapewnić wystarczająco duże wzmocnienie, aby skompensować stratę optyczną spowodowaną przez rezonator i stratę spowodowaną wyjściem lasera z powierzchni wnęki itp., i w sposób ciągły zwiększyć pole optyczne we wnęce. Wymaga to wystarczająco silnego wstrzyknięcia prądu, to znaczy jest wystarczająca inwersja populacji, im wyższy stopień inwersji populacji, tym większy uzyskany zysk, to znaczy musi być spełniony pewien warunek progowy prądu. Kiedy laser osiągnie próg, światło o określonej długości fali może wchodzić w rezonans we wnęce i zostać wzmocnione, a na koniec utworzyć laser i emitować w sposób ciągły. Widać, że w laserach półprzewodnikowych przejście dipolowe elektronów i dziur jest podstawowym procesem emisji i wzmacniania światła. Obecnie wiadomo, że w przypadku nowych laserów półprzewodnikowych studnie kwantowe są podstawową siłą napędową rozwoju laserów półprzewodnikowych. Kwestia, czy druty kwantowe i kropki kwantowe mogą w pełni wykorzystać efekty kwantowe, została rozszerzona na ten wiek. Naukowcy próbowali wykorzystać samoorganizujące się struktury do wytwarzania kropek kwantowych w różnych materiałach, a kropki kwantowe GaInN zastosowano w laserach półprzewodnikowych.

Historia rozwoju laserów półprzewodnikowych
tenlasery półprzewodnikowewczesnych lat sześćdziesiątych były lasery homozłączowe, które były diodami ze złączami pn wykonanymi z jednego materiału. Pod wstrzykiwaniem dużego prądu do przodu elektrony są w sposób ciągły wstrzykiwane do obszaru p, a dziury są w sposób ciągły wstrzykiwane do obszaru n. Dlatego odwrócenie dystrybucji nośników jest realizowane w pierwotnym regionie zubożenia złącza pn. Ponieważ prędkość migracji elektronów jest większa niż dziur, promieniowanie i rekombinacja zachodzą w obszarze aktywnym i emitowana jest fluorescencja. lasering, laser półprzewodnikowy, który może pracować tylko w impulsach. Drugim etapem rozwoju laserów półprzewodnikowych jest laser półprzewodnikowy heterostrukturalny, który składa się z dwóch cienkich warstw materiałów półprzewodnikowych o różnych przerwach wzbronionych, takich jak GaAs i GaAlAs, oraz pojedynczy laser heterostrukturalny (1969). Laser z pojedynczym heterozłączem (SHLD) znajduje się w obszarze p złącza GaAsP-N w celu zmniejszenia progowej gęstości prądu, która jest o rząd wielkości mniejsza niż lasera homozłącza, ale pojedynczy laser z heterozłączem nadal nie może pracować w sposób ciągły przy temperatura pokojowa.
Od późnych lat siedemdziesiątych lasery półprzewodnikowe rozwinęły się oczywiście w dwóch kierunkach, jeden jest laserem informacyjnym służącym do przesyłania informacji, a drugim laserem energetycznym służącym do zwiększania mocy optycznej. Napędzane przez aplikacje takie jak pompowane lasery półprzewodnikowe, lasery półprzewodnikowe dużej mocy (ciągła moc wyjściowa powyżej 100mw i moc wyjściowa impulsu powyżej 5W można nazwać laserami półprzewodnikowymi dużej mocy).
W latach 90. dokonano przełomu, który zaznaczył się znacznym wzrostem mocy laserów półprzewodnikowych, komercjalizacją laserów półprzewodnikowych dużej mocy na poziomie kilowatów za granicą oraz mocą krajowych próbników sięgającą 600W. Z punktu widzenia rozszerzania się pasma laserowego, szeroko stosowano pierwsze podczerwone lasery półprzewodnikowe, a następnie czerwone lasery półprzewodnikowe 670 nm. Następnie, wraz z pojawieniem się fal o długości 650 nm i 635 nm, z powodzeniem opracowano jeden po drugim lasery półprzewodnikowe o niebiesko-zielonym i niebieskim świetle. Opracowywane są również fioletowe, a nawet ultrafioletowe lasery półprzewodnikowe rzędu 10 mW. Pod koniec lat 90. szybko rozwinęły się lasery powierzchniowo emitujące i lasery o pionowej wnęce, w związku z czym rozważano różne zastosowania w superrównoległej optoelektronice. Urządzenia 980nm, 850nm i 780nm są już praktyczne w układach optycznych. Obecnie w szybkich sieciach Gigabit Ethernet stosowane są lasery o powierzchni pionowej wnęki.

Zastosowania laserów półprzewodnikowych
Lasery półprzewodnikowe to klasa laserów, które dojrzewają wcześniej i szybciej się rozwijają. Ze względu na szeroki zakres długości fal, prostą produkcję, niski koszt i łatwą produkcję masową, a także ze względu na mały rozmiar, niewielką wagę i długą żywotność, szybko rozwijają się w odmianach i zastosowaniach. Szeroki asortyment, obecnie ponad 300 gatunków.

1. Zastosowanie w przemyśle i technologii
1) Komunikacja światłowodowa.Laser półprzewodnikowyjest jedynym praktycznym źródłem światła dla systemu komunikacji światłowodowej, a komunikacja światłowodowa stała się głównym nurtem współczesnej technologii komunikacyjnej.
2) Dostęp do dysku. W pamięci dysków optycznych zastosowano lasery półprzewodnikowe, a ich największą zaletą jest to, że przechowuje dużą ilość informacji dźwiękowych, tekstowych i obrazowych. Zastosowanie niebieskich i zielonych laserów może znacznie poprawić gęstość przechowywania dysków optycznych.
3) Analiza spektralna. Przestrajalne lasery półprzewodnikowe dalekiej podczerwieni są stosowane w analizie gazów otoczenia, monitorowaniu zanieczyszczenia powietrza, spalin samochodowych itp. Mogą być stosowane w przemyśle do monitorowania procesu osadzania się pary.
4) Optyczne przetwarzanie informacji. Lasery półprzewodnikowe znalazły zastosowanie w optycznych systemach informacyjnych. Dwuwymiarowe macierze półprzewodnikowych laserów powierzchniowych są idealnymi źródłami światła dla optycznych systemów przetwarzania równoległego, które będą wykorzystywane w komputerach i optycznych sieciach neuronowych.
5) Mikrowytwarzanie laserowe. Za pomocą wysokoenergetycznych, ultrakrótkich impulsów świetlnych generowanych przez lasery półprzewodnikowe z przełączaniem dobroci, obwody scalone mogą być cięte, dziurkowane itp.
6) Alarm laserowy. Półprzewodnikowe alarmy laserowe są szeroko stosowane, w tym alarmy przeciwwłamaniowe, alarmy poziomu wody, alarmy odległości pojazdu itp.
7) Drukarki laserowe. W drukarkach laserowych zastosowano lasery półprzewodnikowe dużej mocy. Korzystanie z niebieskiego i zielonego lasera może znacznie poprawić szybkość i rozdzielczość drukowania.
8) Laserowy skaner kodów kreskowych. Półprzewodnikowe laserowe skanery kodów kreskowych są szeroko stosowane w sprzedaży towarów oraz zarządzaniu książkami i archiwami.
9) Pompuj lasery półprzewodnikowe. Jest to ważne zastosowanie laserów półprzewodnikowych dużej mocy. Użycie go do zastąpienia oryginalnej lampy atmosferycznej może stworzyć system laserowy w całości na ciele stałym.
10) Telewizor laserowy o wysokiej rozdzielczości. Szacuje się, że w niedalekiej przyszłości telewizory z półprzewodnikowymi laserami bez lamp elektronopromieniowych, które wykorzystują czerwony, niebieski i zielony laser, będą zużywać o 20 procent mniej energii niż istniejące telewizory.

2. Zastosowania w badaniach medycznych i naukach przyrodniczych
1) Chirurgia laserowa.Lasery półprzewodnikowebyły używane do ablacji tkanek miękkich, łączenia tkanek, koagulacji i waporyzacji. Technika ta jest szeroko stosowana w chirurgii ogólnej, chirurgii plastycznej, dermatologii, urologii, położnictwie i ginekologii itp.
2) Laserowa terapia dynamiczna. Substancje światłoczułe, które mają powinowactwo do guza, są selektywnie gromadzone w tkance nowotworowej, a tkanka nowotworowa jest naświetlana laserem półprzewodnikowym w celu wygenerowania reaktywnych form tlenu, w celu spowodowania jej martwicy bez uszkadzania zdrowej tkanki.
3) Badania nauk przyrodniczych. Korzystanie z „pęsety optycznej” firmylasery półprzewodnikowe, możliwe jest uchwycenie żywych komórek lub chromosomów i przeniesienie ich w dowolne miejsce. Jest używany do promowania syntezy komórek i badań interakcji komórkowych, a także może być stosowany jako technologia diagnostyczna do gromadzenia dowodów sądowych.