Puslaidininkiniai lazeriai yra kvantiniai generatoriai, pagrįsti puslaidininkine aktyvia terpe, kurioje optinis stiprinimas sukuriamas stimuliuojant spinduliuotę kvantinio perėjimo tarp energijos lygių metu esant didelei krūvininkų koncentracijai laisvojoje zonoje.
Puslaidininkinis lazeris: veikimo principas
Įprastoje būsenoje dauguma elektronų yra valentingumo lygyje. Kai fotonai tiekia energiją, viršijančią pertrūkių zonos energiją, puslaidininkio elektronai patenka į sužadinimo būseną ir, įveikę draudžiamą zoną, pereina į laisvąją zoną, susitelkdami jos apatiniame krašte. Tuo pačiu metu valentingumo lygyje susidariusios skylės pakyla iki viršutinės ribos. Elektronai laisvojoje zonoje rekombinuojasi su skylutėmis, fotonų pavidalu išspinduliuodami energiją, lygią netolydumo zonos energijai. Rekombinaciją gali sustiprinti pakankamai energijos turintys fotonai. Skaitinis aprašymas atitinka Fermi paskirstymo funkciją.
Įrenginys
Puslaidininkinis lazerinis įrenginysyra lazerinis diodas, pumpuojamas elektronų ir skylių energija p-n sandūros zonoje – puslaidininkių, kurių laidumas p ir n, sąlyčio taškas. Be to, yra puslaidininkiniai lazeriai su optine energija, kurių spindulys formuojamas sugeriant šviesos fotonus, taip pat kvantinių kaskadinių lazerių, kurių veikimas pagrįstas perėjimais juostose.
Sudėtis
Standartinės jungtys, naudojamos puslaidininkiniuose lazeriuose ir kituose optoelektroniniuose įrenginiuose, yra šios:
- galio arsenidas;
- galio fosfidas;
- galio nitridas;
- indžio fosfidas;
- indžio-galio arsenidas;
- galio aliuminio arsenidas;
- galio-indžio arsenido nitridas;
- galio-indžio fosfidas.
Bangos ilgis
Šie junginiai yra tiesioginio tarpo puslaidininkiai. Netiesioginio tarpo (silicio) šviesa sklinda nepakankamai stipriai ir efektyviai. Diodinio lazerio spinduliuotės bangos ilgis priklauso nuo fotono energijos artumo laipsnio konkretaus junginio nepertraukiamumo zonos energijai. 3 ir 4 komponentų puslaidininkių junginiuose nenutrūkstamumo zonos energija gali nuolat kisti plačiame diapazone. Jei AlGaAs=AlxGa1-xKadangi, pavyzdžiui, aliuminio kiekio padidėjimas (x padidėjimas) padidina nenutrūkstamos zonos energija.
Nors dažniausiai naudojami puslaidininkiniai lazeriai veikia artimajame infraraudonajame spinduliuote, kai kurie skleidžia raudoną (indžio galio fosfido), mėlyną arba violetinę (galio nitrido) spalvas. Vidutinės infraraudonosios spinduliuotės spinduliuotę sukuria puslaidininkiniai lazeriai (švino selenidas) ir kvantiniai kaskadiniai lazeriai.
Organiniai puslaidininkiai
Be minėtų neorganinių junginių, galima naudoti ir organinius. Atitinkama technologija dar tik kuriama, tačiau ją plėtojant žadama gerokai sumažinti kvantinių generatorių gamybos sąnaudas. Iki šiol buvo sukurti tik organiniai lazeriai su optine energija, o didelio efektyvumo elektrinis siurbimas dar nepasiektas.
Įvairūs
Sukurta daug puslaidininkinių lazerių, kurie skiriasi parametrais ir taikoma verte.
Maži lazeriniai diodai sukuria aukštos kokybės kraštinės spinduliuotės spindulį, kurio galia svyruoja nuo kelių iki penkių šimtų milivatų. Lazerio diodo kristalas yra plona stačiakampė plokštė, kuri tarnauja kaip bangolaidis, nes spinduliuotė ribojama mažoje erdvėje. Kristalas yra legiruotas iš abiejų pusių, kad būtų sukurta didelio ploto p-n sandūra. Poliruoti galai sukuria optinį Fabry-Perot rezonatorių. Per rezonatorių praeinantis fotonas sukels rekombinaciją, padidės spinduliuotė ir prasidės generacija. Naudojamas lazerinėse rodyklėse, CD ir DVD grotuvuose ir šviesolaidiniuose ryšiuose.
Mažos galios monolitiniai lazeriai ir kvantiniai generatoriai su išoriniu rezonatoriumi trumpiems impulsams formuoti gali užblokuoti režimą.
Lazeriaipuslaidininkį su išoriniu rezonatoriumi sudaro lazerinis diodas, kuris atlieka stiprinimo terpės vaidmenį didesnio lazerinio rezonatoriaus sudėtyje. Jie gali keisti bangos ilgį ir turi siaurą spinduliavimo juostą.
Injekciniai puslaidininkiniai lazeriai turi plataus diapazono spinduliavimo sritį, gali generuoti prastos kokybės kelių vatų spindulį. Jie susideda iš plono aktyvaus sluoksnio, esančio tarp p ir n sluoksnių, sudarančio dvigubą heterosandūrą. Nėra mechanizmo, leidžiančio išlaikyti šviesą šonine kryptimi, todėl susidaro didelės spinduliuotės elipsės ir nepriimtinai didelės slenkstinės srovės.
Galingi diodų strypai, sudaryti iš plačiajuosčio ryšio diodų masyvo, gali skleisti vidutinės kokybės spindulį, kurio galia siekia dešimtis vatų.
Galingos dvimatės diodų matricos gali generuoti šimtus ir tūkstančius vatų.
Paviršius skleidžiantys lazeriai (VCSEL) skleidžia aukštos kokybės kelių milivatų galios šviesos spindulį statmenai plokštei. Rezonatoriaus veidrodžiai ant spinduliuotės paviršiaus dedami ¼ bangos ilgio sluoksniais su skirtingais lūžio rodikliais. Vienoje lustoje galima pagaminti kelis šimtus lazerių, o tai atveria masinės gamybos galimybę.
VECSEL lazeriai su optiniu maitinimo š altiniu ir išoriniu rezonatoriumi gali generuoti geros kokybės kelių vatų galios spindulį fiksuojant režimą.
Puslaidininkinio lazerio veikimas kvantiniskaskadinis tipas pagrįstas perėjimais zonų viduje (priešingai nei tarpzonų). Šie prietaisai spinduliuoja vidutinio infraraudonųjų spindulių srityje, kartais terahercų diapazone. Jie naudojami, pavyzdžiui, kaip dujų analizatoriai.
Puslaidininkiniai lazeriai: taikymas ir pagrindiniai aspektai
Galingi diodiniai lazeriai su didelio efektyvumo elektriniu siurbimu esant vidutinei įtampai naudojami kaip didelio efektyvumo kietojo kūno lazerių maitinimo priemonė.
Puslaidininkiniai lazeriai gali veikti plačiame dažnių diapazone, apimančiame matomą, beveik infraraudonųjų ir vidutinių infraraudonųjų spindulių spektro dalis. Sukurti įrenginiai, kurie taip pat leidžia keisti spinduliavimo dažnį.
Lazeriniai diodai gali greitai perjungti ir moduliuoti optinę galią, kurią galima pritaikyti šviesolaidiniuose siųstuvuose.
Dėl tokių charakteristikų puslaidininkiniai lazeriai technologiškai tapo svarbiausiu kvantinių generatorių tipu. Jie taikomi:
- telemetrijos jutikliuose, pirometruose, optiniuose aukščiamačiuose, tolimačiuose, taikikliuose, holografijoje;
- optinėse optinio perdavimo ir duomenų saugojimo sistemose, nuosekliose ryšio sistemose;
- lazeriniuose spausdintuvuose, vaizdo projektoriuose, rodyklėse, brūkšninių kodų skaitytuvuose, vaizdo skaitytuvuose, CD grotuvuose (DVD, CD, Blu-Ray);
- apsaugos sistemose, kvantinėje kriptografijoje, automatizavime, indikatoriuose;
- optinėje metrologijoje ir spektroskopijoje;
- chirurgijoje, odontologijoje, kosmetologijoje, terapijoje;
- vandens valymui,medžiagų apdirbimas, kietojo kūno lazerinis siurbimas, cheminių reakcijų valdymas, pramoninis rūšiavimas, pramonės inžinerija, uždegimo sistemos, oro gynybos sistemos.
Impulso išvestis
Dauguma puslaidininkinių lazerių sukuria nuolatinį spindulį. Dėl trumpos elektronų buvimo laiko laidumo lygyje jie nėra labai tinkami generuoti Q perjungiamus impulsus, tačiau beveik nepertraukiamas veikimo režimas leidžia žymiai padidinti kvantinio generatoriaus galią. Be to, puslaidininkiniai lazeriai gali būti naudojami ultratrumpiems impulsams generuoti su režimo fiksavimu arba stiprinimo perjungimu. Vidutinė trumpų impulsų galia paprastai ribojama iki kelių milivatų, išskyrus optiškai pumpuojamus VECSEL lazerius, kurių išvestis matuojama kelių vatų pikosekundžių impulsais, kurių dažnis yra dešimtys gigahercų.
Moduliavimas ir stabilizavimas
Trumpo elektrono buvimo laidumo juostoje pranašumas yra puslaidininkinių lazerių galimybė atlikti aukšto dažnio moduliaciją, kuri VCSEL lazeriuose viršija 10 GHz. Jis buvo pritaikytas optiniam duomenų perdavimui, spektroskopijai, lazeriniam stabilizavimui.
