Laser semikonduktor ialah penjana kuantum berdasarkan medium aktif semikonduktor di mana penguatan optik tercipta melalui pelepasan rangsangan semasa peralihan kuantum antara tahap tenaga pada kepekatan tinggi pembawa cas di zon bebas.
Laser semikonduktor: prinsip operasi
Dalam keadaan normal, kebanyakan elektron terletak pada tahap valensi. Apabila foton membekalkan tenaga melebihi tenaga zon ketakselanjaran, elektron semikonduktor masuk ke dalam keadaan pengujaan dan, setelah mengatasi zon terlarang, masuk ke zon bebas, menumpukan pada pinggir bawahnya. Pada masa yang sama, lubang yang terbentuk pada aras valens naik ke sempadan atasnya. Elektron dalam zon bebas bergabung semula dengan lubang, memancarkan tenaga yang sama dengan tenaga zon ketakselanjaran dalam bentuk foton. Penggabungan semula boleh dipertingkatkan oleh foton dengan tahap tenaga yang mencukupi. Perihalan berangka sepadan dengan fungsi taburan Fermi.
Peranti
Peranti laser semikonduktorialah diod laser yang dipam dengan tenaga elektron dan lubang dalam zon simpang p-n - titik sentuhan semikonduktor dengan kekonduksian jenis p dan n. Selain itu, terdapat laser semikonduktor dengan bekalan tenaga optik, di mana pancaran terbentuk dengan menyerap foton cahaya, serta laser lata kuantum, yang operasinya berdasarkan peralihan dalam jalur.
Komposisi
Sambungan standard yang digunakan dalam kedua-dua laser semikonduktor dan peranti optoelektronik lain adalah seperti berikut:
- gallium arsenide;
- gallium phosphide;
- gallium nitride;
- indium phosphide;
- indium-gallium arsenide;
- gallium aluminium arsenide;
- gallium-indium arsenide nitride;
- gallium-indium phosphide.
Panjang gelombang
Kompaun ini ialah semikonduktor jurang terus. Cahaya jurang tidak langsung (silikon) tidak memancarkan dengan kekuatan dan kecekapan yang mencukupi. Panjang gelombang sinaran laser diod bergantung pada tahap penghampiran tenaga foton kepada tenaga zon ketakselanjaran sebatian tertentu. Dalam sebatian semikonduktor 3 dan 4 komponen, tenaga zon ketakselanjaran boleh berubah secara berterusan dalam julat yang luas. Untuk AlGaAs=AlxGa1-xSebagai contoh, peningkatan dalam kandungan aluminium (peningkatan dalam x) mengakibatkan peningkatan dalam tenaga zon ketakselanjaran.
Walaupun laser semikonduktor yang paling biasa beroperasi dalam inframerah dekat, sesetengahnya memancarkan warna merah (indium gallium phosphide), biru atau ungu (gallium nitride). Sinaran inframerah pertengahan dihasilkan oleh laser semikonduktor (selenide plumbum) dan laser lata kuantum.
Separa konduktor organik
Selain sebatian tak organik yang dinyatakan di atas, sebatian organik juga boleh digunakan. Teknologi yang sepadan masih dalam pembangunan, tetapi pembangunannya menjanjikan untuk mengurangkan kos pengeluaran penjana kuantum dengan ketara. Setakat ini, hanya laser organik dengan bekalan tenaga optik telah dibangunkan, dan pengepaman elektrik yang sangat cekap masih belum dicapai.
Pelbagai
Banyak laser semikonduktor telah dicipta, berbeza dalam parameter dan nilai yang digunakan.
Diod laser kecil menghasilkan pancaran sinaran tepi berkualiti tinggi, yang kuasanya antara beberapa hingga lima ratus miliwatt. Kristal diod laser ialah plat segi empat tepat nipis yang berfungsi sebagai pandu gelombang, kerana sinaran terhad kepada ruang kecil. Kristal didopkan pada kedua-dua belah pihak untuk mencipta persimpangan p-n bagi kawasan yang besar. Hujung yang digilap menghasilkan resonator Fabry-Perot optik. Foton yang melalui resonator akan menyebabkan penggabungan semula, sinaran akan meningkat, dan penjanaan akan bermula. Digunakan dalam penunjuk laser, pemain CD dan DVD serta komunikasi gentian optik.
Laser monolitik berkuasa rendah dan penjana kuantum dengan resonator luaran untuk membentuk denyutan pendek boleh menghasilkan penguncian mod.
Lasersemikonduktor dengan resonator luaran terdiri daripada diod laser, yang memainkan peranan sebagai medium penguat dalam komposisi resonator laser yang lebih besar. Ia mampu menukar panjang gelombang dan mempunyai jalur pelepasan yang sempit.
Laser semikonduktor suntikan mempunyai kawasan pancaran dalam bentuk jalur lebar, boleh menghasilkan pancaran berkualiti rendah dengan kuasa beberapa watt. Mereka terdiri daripada lapisan aktif nipis yang terletak di antara lapisan p dan n, membentuk heterojunction berganda. Tiada mekanisme untuk mengekalkan cahaya dalam arah sisi, yang menghasilkan eliptik pancaran tinggi dan arus ambang tinggi yang tidak boleh diterima.
Bar diod berkuasa, yang terdiri daripada susunan diod jalur lebar, mampu menghasilkan pancaran kualiti biasa-biasa dengan kuasa berpuluh-puluh watt.
Susun atur dua dimensi diod yang berkuasa boleh menjana kuasa dalam ratusan dan ribuan watt.
Laser pemancar permukaan (VCSEL) memancarkan pancaran cahaya berkualiti tinggi dengan kuasa beberapa miliwatt berserenjang dengan plat. Cermin resonator digunakan pada permukaan sinaran dalam bentuk lapisan ¼ panjang gelombang dengan indeks biasan yang berbeza. Beberapa ratus laser boleh dibuat pada satu cip, yang membuka kemungkinan pengeluaran besar-besaran.
Laser VECSEL dengan bekalan kuasa optik dan resonator luaran mampu menghasilkan pancaran berkualiti baik dengan kuasa beberapa watt dalam penguncian mod.
Pengendalian kuantum laser semikonduktor-jenis lata adalah berdasarkan peralihan dalam zon (berbanding dengan antara zon). Peranti ini memancarkan dalam kawasan inframerah pertengahan, kadangkala dalam julat terahertz. Ia digunakan, sebagai contoh, sebagai penganalisis gas.
Laser semikonduktor: aplikasi dan aspek utama
Laser diod berkuasa dengan pengepaman elektrik berkecekapan tinggi pada voltan sederhana digunakan sebagai cara untuk menjanakan laser keadaan pepejal berkecekapan tinggi.
Laser semikonduktor boleh beroperasi pada julat frekuensi yang luas, termasuk bahagian spektrum yang boleh dilihat, inframerah dekat dan inframerah pertengahan. Peranti telah dibuat yang turut membenarkan anda menukar kekerapan pelepasan.
Diod laser boleh menukar dan memodulasi kuasa optik dengan pantas, yang mendapat aplikasi dalam pemancar gentian optik.
Ciri-ciri sedemikian telah menjadikan laser semikonduktor secara teknologi sebagai jenis penjana kuantum yang paling penting. Mereka memohon:
- dalam penderia telemetri, pyrometer, altimeter optik, pencari jarak, pemandangan, holografi;
- dalam sistem gentian optik penghantaran optik dan penyimpanan data, sistem komunikasi koheren;
- dalam pencetak laser, projektor video, penunjuk, pengimbas kod bar, pengimbas imej, pemain CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- dalam sistem keselamatan, kriptografi kuantum, automasi, penunjuk;
- dalam metrologi optik dan spektroskopi;
- dalam pembedahan, pergigian, kosmetologi, terapi;
- untuk rawatan air,pemprosesan bahan, pengepaman laser keadaan pepejal, kawalan tindak balas kimia, pengisihan industri, kejuruteraan industri, sistem pencucuhan, sistem pertahanan udara.
Keluaran nadi
Kebanyakan laser semikonduktor menghasilkan pancaran berterusan. Disebabkan oleh masa tinggal elektron yang singkat pada tahap pengaliran, ia tidak begitu sesuai untuk menghasilkan denyutan bertukar Q, tetapi mod operasi separa berterusan membolehkan peningkatan ketara dalam kuasa penjana kuantum. Di samping itu, laser semikonduktor boleh digunakan untuk menjana denyutan ultrashort dengan penguncian mod atau pensuisan perolehan. Purata kuasa denyutan pendek biasanya dihadkan kepada beberapa miliwatt, kecuali laser VECSEL yang dipam secara optikal, yang outputnya diukur dengan denyutan picosaat berbilang watt dengan frekuensi berpuluh-puluh gigahertz.
Modulasi dan penstabilan
Kelebihan tinggal pendek elektron dalam jalur pengaliran ialah keupayaan laser semikonduktor kepada modulasi frekuensi tinggi, yang bagi laser VCSEL melebihi 10 GHz. Ia telah menemui aplikasi dalam penghantaran data optik, spektroskopi, penstabilan laser.
