Odborné znalosti

Co je to polovodičový laser?

2022-01-13
Od vynálezu prvního polovodičového laseru na světě v roce 1962 prošel polovodičový laser obrovskými změnami, které výrazně podpořily rozvoj další vědy a techniky, a je považován za jeden z největších lidských vynálezů dvacátého století. V posledních deseti letech se polovodičové lasery vyvíjely rychleji a staly se nejrychleji rostoucí laserovou technologií na světě. Rozsah použití polovodičových laserů pokrývá celou oblast optoelektroniky a stal se základní technologií dnešní vědy v oblasti optoelektroniky. Díky výhodám malých rozměrů, jednoduché struktury, nízké vstupní energie, dlouhé životnosti, snadné modulaci a nízké ceně jsou polovodičové lasery široce používány v oblasti optoelektroniky a jsou vysoce ceněny zeměmi po celém světě.

polovodičový laser
A polovodičový laserje miniaturizovaný laser, který jako pracovní látku používá Pn přechod nebo Pin přechod složený z polovodičového materiálu s přímou mezerou v pásmu. Existují desítky pracovních materiálů pro polovodičové lasery. Mezi polovodičové materiály, které byly vyrobeny do laserů, patří arsenid galia, arsenid india, antimonid india, sulfid kademnatý, telurid kadmia, selenid olovnatý, telurid olova, arsenid hliníku a galia, indium, fosfor, arsen atd. Existují tři hlavní metody semivodivého buzení lasery, jmenovitě typ s elektrickým vstřikováním, typ s optickou pumpou a typ s buzením vysokoenergetickým elektronovým paprskem. Metodou buzení většiny polovodičových laserů je elektrická injekce, to znamená, že na přechod Pn je aplikováno propustné napětí, aby se generovala stimulovaná emise v oblasti roviny přechodu, to znamená dopředně zatížená dioda. Proto se polovodičové lasery také nazývají polovodičové laserové diody. U polovodičů, protože elektrony přecházejí mezi energetickými pásy spíše než diskrétními energetickými hladinami, není přechodová energie definitivní hodnotou, což způsobuje, že výstupní vlnová délka polovodičových laserů se rozšiřuje v širokém rozsahu. na střelnici. Vlnové délky, které vyzařují, jsou mezi 0,3 a 34 μm. Rozsah vlnových délek je určen mezerou energetického pásma použitého materiálu. Nejběžnější je AlGaAs dvojitý heteropřechodový laser, který má výstupní vlnovou délku 750-890 nm.
Technologie výroby polovodičových laserů má zkušenosti od difúzní metody po epitaxi v kapalné fázi (LPE), epitaxi v plynné fázi (VPE), epitaxi molekulárního paprsku (MBE), metodu MOCVD (depozice organických sloučenin kovů z par), epitaxi chemickým paprskem (CBE) ) a jejich různé kombinace. Největší nevýhodou polovodičových laserů je to, že výkon laseru je značně ovlivněn teplotou a divergenční úhel paprsku je velký (obvykle mezi několika stupni a 20 stupni), takže má špatnou směrovost, monochromatičnost a koherenci. S rychlým rozvojem vědy a techniky však výzkum polovodičových laserů postupuje směrem do hloubky a výkon polovodičových laserů se neustále zlepšuje. Polovodičová optoelektronická technologie s polovodičovým laserem jako jádrem učiní větší pokrok a bude hrát větší roli v informační společnosti 21. století.

Jak fungují polovodičové lasery?
A polovodičový laserje koherentní zdroj záření. Aby mohl generovat laserové světlo, musí být splněny tři základní podmínky:
1. Podmínka zesílení: Je stanovena inverzní distribuce nosičů v laserovém médiu (aktivní oblast). V polovodiči je energetický pás, který představuje energii elektronů, složen ze série energetických hladin, které jsou blízké spojité. Proto v polovodiči Aby bylo dosaženo inverze populace, musí být počet elektronů ve spodní části vodivostního pásma vysokoenergetického stavu mnohem větší než počet děr v horní části valenčního pásma nízkoenergetického stavu. stavu mezi dvěma oblastmi energetického pásma. Heteropřechod je předpjatý tak, aby vstřikoval potřebné nosiče do aktivní vrstvy k excitaci elektronů z valenčního pásu s nižší energií do vodivostního pásu s vyšší energií. Ke stimulované emisi dochází, když se velké množství elektronů ve stavu inverze populace rekombinuje s dírami.
2. Aby bylo skutečně získáno koherentní stimulované záření, musí být stimulované záření vícenásobně vráceno zpět do optického rezonátoru, aby se vytvořila laserová oscilace. Laserový rezonátor je tvořen přirozeným štěpným povrchem polovodičového krystalu jako zrcadlo, obvykle ve tvaru Konec, který nevyzařuje světlo, je potažen vysoce reflexním vícevrstvým dielektrickým filmem a povrch vyzařující světlo je potažen anti- reflexní film. Pro polovodičový laser F-p dutiny (Fabry-Perotova dutina) lze dutinu F-p snadno vytvořit použitím přirozené štěpné roviny krystalu kolmé k rovině p-n přechodu.
3. Aby se vytvořila stabilní oscilace, musí být laserové médium schopno poskytnout dostatečně velký zisk, aby kompenzovalo optickou ztrátu způsobenou rezonátorem a ztrátu způsobenou výstupem laseru z povrchu dutiny atd., a to nepřetržitě zvětšit optické pole v dutině. To vyžaduje dostatečně silnou proudovou injekci, to znamená, že je dostatek inverze populace, čím vyšší je stupeň inverze populace, tím větší je získaný zisk, to znamená, že musí být splněna určitá podmínka prahu proudu. Když laser dosáhne prahu, světlo se specifickou vlnovou délkou může rezonovat v dutině a být zesíleno a nakonec vytvoří laser a bude nepřetržitě vystupovat. Je vidět, že u polovodičových laserů je dipólový přechod elektronů a děr základním procesem emise a zesílení světla. U nových polovodičových laserů se v současnosti uznává, že základní hnací silou pro vývoj polovodičových laserů jsou kvantové jámy. Zda kvantové dráty a kvantové tečky mohou plně využít kvantové efekty, se rozšířilo do tohoto století. Vědci se pokusili použít samoorganizované struktury k vytvoření kvantových teček v různých materiálech a kvantové tečky GaInN byly použity v polovodičových laserech.

Historie vývoje polovodičových laserů
Thepolovodičové laserypočátkem 60. let byly homojunkční lasery, což byly pn přechodové diody vyrobené z jednoho materiálu. Při dopředné velké proudové injekci jsou elektrony nepřetržitě vstřikovány do oblasti p a otvory jsou nepřetržitě vstřikovány do oblasti n. Proto je inverze distribuce nosičů realizována v původní oblasti vyčerpání pn přechodu. Protože rychlost migrace elektronů je vyšší než rychlost děr, dochází v aktivní oblasti k záření a rekombinaci a dochází k emitování fluorescence. lasing, polovodičový laser, který může pracovat pouze v pulzech. Druhou etapou vývoje polovodičových laserů je heterostrukturní polovodičový laser, který je složen ze dvou tenkých vrstev polovodičových materiálů s rozdílným zakázaným pásmem, jako jsou GaAs a GaAlAs, a poprvé se objevil jednoduchý heterostrukturní laser (1969). Jediný heterojunkční injekční laser (SHLD) je v oblasti p přechodu GaAsP-N, aby se snížila prahová proudová hustota, která je řádově nižší než u homojunkčního laseru, ale jediný heterojunkční laser stále nemůže pracovat. pokojová teplota.
Od konce 70. let 20. století se polovodičové lasery zjevně vyvíjely ve dvou směrech, jeden je informační laser pro účely přenosu informací a druhý je výkonový laser za účelem zvýšení optického výkonu. Poháněno aplikacemi, jako jsou pumpované pevnolátkové lasery, vysoce výkonné polovodičové lasery (trvalý výstupní výkon vyšší než 100 mw a pulzní výstupní výkon vyšší než 5 W lze nazvat vysoce výkonnými polovodičovými lasery).
V 90. letech došlo k průlomu, který se vyznačoval výrazným zvýšením výstupního výkonu polovodičových laserů, komercializací vysokovýkonných polovodičových laserů na úrovni kilowattů v zahraničí a výkonem domácích vzorkových zařízení dosahujícím 600W. Z hlediska rozšíření laserového pásma byly široce používány nejprve infračervené polovodičové lasery, následované 670nm červenými polovodičovými lasery. Poté, s příchodem vlnových délek 650nm a 635nm, byly jeden po druhém úspěšně vyvinuty také modrozelené a modré polovodičové lasery. Vyvíjeny jsou také fialové a dokonce ultrafialové polovodičové lasery o výkonu řádově 10 mW. Povrchově emitující lasery a lasery emitující povrch s vertikální dutinou se na konci 90. let rychle vyvíjely a byly zvažovány různé aplikace v superparalelní optoelektronice. 980nm, 850nm a 780nm zařízení jsou již praktická v optických systémech. V současné době se ve vysokorychlostních sítích gigabitového Ethernetu používají lasery emitující povrch s vertikální dutinou.

Aplikace polovodičových laserů
Polovodičové lasery jsou třídou laserů, které dozrávají dříve a postupují rychleji. Vzhledem k jejich širokému rozsahu vlnových délek, jednoduché výrobě, nízkým nákladům a snadné hromadné výrobě a kvůli jejich malé velikosti, nízké hmotnosti a dlouhé životnosti mají rychlý vývoj v odrůdách a aplikacích. Široká škála, v současnosti více než 300 druhů.

1. Aplikace v průmyslu a technologii
1) Komunikace pomocí optických vláken.Polovodičový laserje jediným praktickým světelným zdrojem pro komunikační systém s optickými vlákny a komunikace z optických vláken se stala hlavním proudem současné komunikační technologie.
2) Přístup k disku. Polovodičové lasery byly použity v paměti optických disků a jejich největší výhodou je, že ukládají velké množství zvukových, textových a obrazových informací. Použití modrých a zelených laserů může výrazně zlepšit hustotu ukládání optických disků.
3) Spektrální analýza. Laditelné polovodičové lasery s dálkovým infračerveným zářením se používají při analýze okolních plynů, monitorování znečištění ovzduší, výfukových plynů automobilů atd. Lze je použít v průmyslu ke sledování procesu depozice par.
4) Optické zpracování informace. Polovodičové lasery byly použity v optických informačních systémech. Dvourozměrná pole povrchově emitujících polovodičových laserů jsou ideálními zdroji světla pro optické paralelní systémy zpracování, které najdou uplatnění v počítačích a optických neuronových sítích.
5) Laserová mikrovýroba. Pomocí vysokoenergetických ultrakrátkých světelných pulsů generovaných Q-spínanými polovodičovými lasery lze integrované obvody řezat, děrovat atd.
6) Laserový alarm. Polovodičové laserové alarmy jsou široce používány, včetně alarmů proti vloupání, alarmů hladiny vody, alarmů vzdálenosti vozidel atd.
7) Laserové tiskárny. V laserových tiskárnách byly použity vysoce výkonné polovodičové lasery. Použití modrých a zelených laserů může výrazně zlepšit rychlost tisku a rozlišení.
8) Laserový snímač čárových kódů. Polovodičové laserové snímače čárových kódů jsou široce používány při prodeji zboží a správě knih a archivů.
9) Čerpací pevnolátkové lasery. Jedná se o důležitou aplikaci vysoce výkonných polovodičových laserů. Jeho použití k nahrazení původní atmosférické lampy může vytvořit plně pevný laserový systém.
10) Laserová televize s vysokým rozlišením. Odhaduje se, že v blízké budoucnosti budou polovodičové laserové televizory bez katodových trubic, které využívají červený, modrý a zelený laser, spotřebovávat o 20 procent méně energie než stávající televizory.

2. Aplikace v lékařském a biologickém výzkumu
1) Laserová operace.Polovodičové laserybyly použity pro ablaci měkkých tkání, tkáňové vazby, koagulaci a vaporizaci. Tato technika je široce používána ve všeobecné chirurgii, plastické chirurgii, dermatologii, urologii, porodnictví a gynekologii atd.
2) Laserová dynamická terapie. Fotosenzitivní látky, které mají afinitu k nádoru, se selektivně hromadí v rakovinné tkáni a rakovinná tkáň je ozařována polovodičovým laserem, aby se vytvořily reaktivní formy kyslíku, s cílem učinit ji nekrotickou, aniž by došlo k poškození zdravé tkáně.
3) Výzkum biologických věd. Pomocí "optické pinzety" zpolovodičové lasery, je možné zachytit živé buňky nebo chromozomy a přesunout je do libovolné polohy. Používá se k podpoře syntézy buněk a studií buněčných interakcí a může být také použit jako diagnostická technologie pro shromažďování forenzních důkazů.