Polovodičové lasery: typy zariadení, princíp fungovania, využívanie

Polovodičové lasery sú kvantové generátory na báze polovodičov aktívneho prostredia, v ktorom je optická amplifikáciu stimulovanej emisie vytvorené v prechode medzi kvantovej energetickej hladiny pri vysokej koncentrácii voľných nosičov náboja v okolí.

Polovodičový laser: Princíp fungovania

Za normálnych okolností, že väčšina elektrónov sa nachádza na úrovni valenčné. Pri priblížení fotónovej energie väčší ako medzery energetické pásmo, polovodič, elektróny prichádzajú do stavu excitácia, a lámanie zakázanej zóny, pohybujúce sa do slobodného pásma, sústrediť sa na svojom spodnom okraji. Súčasne otvor vytvorený v úrovni valenčné, dvíhať sa k jeho hornej hranici. Elektróny vo voľnej zóne rekombinovať s otvormi, vyžarujúci energiu, ktorá sa rovná energiu prietržné zóny, vo forme fotónov. Rekombinácia môže byť zvýšená fotónov s dostatočnou energetickú úroveň. Numerická popis zodpovedá distribučnej funkcie Fermiho.

zariadenie

Polovodičový laserové zariadenie je laserová dióda čerpanej elektróny a diery v oblasti p-n-prechodu - bod dotyku s vodivou polovodičovým p- a n-typu. Ďalej sú polovodičové lasery s optickým vstupom energie, v ktorom je zväzok vytvorené absorpciou fotónov ľahkých a kvantových kaskádových laserov, ktoré sú založené na prechodoch v rámci zón.

štruktúra

Typické zlúčeniny používajú v polovodičových laserov a iných optoelektronických zariadení, a to nasledovne:

• gálium arzenid;
• fosfid gália;
• galliumnitrid;
• fosfid india;
• india a gália arzenid;
• gálium hliníka arzenid;
• gálium-indium-galliumnitrid;
• phosphide, gálium indium.

vlnová dĺžka

Tieto zlúčeniny - priamu medzera polovodiče. Indirect- (kremík) nevyžaruje svetlo s dostatočnou silou a účinnosti. Vlnová dĺžka žiarenia laserové diódy je závislá na energii energiu fotónu blíži zakázané pásmo konkrétnej zlúčeniny. 3- a 4-komponent polovodičovej zlúčeniny energie odstupe pásma možno plynulo meniť v širokom rozmedzí. V AlGaAs = Al _x Ga _1-X, ako _je napríklad zvýšenie obsahu hliníka (zvýšenie x), má za následok zvýšenie energetickej medzere pásu.

Kým najbežnejšie polovodičové lasery pracovať v blízkej infračervenej časti spektra, niektoré vyžarujú červené (gálium fosfid india), modré alebo fialové (galliumnitrid) farby. Priemerná infračervený polovodičový laser (selenid olova) a kvantovej kaskádnej lasery.

organické polovodiče

Okrem toho, vyššie uvedené anorganické zlúčeniny môžu byť použité aj ekologické. Vhodné technológia je stále vo fáze vývoja, ale jeho vývoj sľubuje výrazne znížiť náklady na výrobu laserov. Zatiaľ iba vyvinuté organické lasery s doteraz nedosiahol optický vstup energie a vysoko výkonné elektrické čerpadlo.

druh

Z množstva polovodičových laserov s rôznymi parametrami a hodnoty aplikácie.

Malé laserové diódy produkovalo zväzok vysoko kvalitné mechanická žiarenia, ktorého energia sa pohybuje od niekoľko sto až päťsto miliwattov. laserová dióda čip je tenká obdĺžniková doska, ktorá slúži ako vlnovod, pretože žiarenie obmedzená na malom priestore. Crystal dopovaný oboch stranách pre vytvorenie PN-prechod veľké plochy. Leštené konca vytvoriť optický rezonátor o Fabry - Perot interferometer. Fotón prechádzajúce dutine pre rekombinácie žiarenia zvýši, a začne generovanie. Tie sa používajú v laserové ukazovátko, CD a DVD prehrávače, rovnako ako optických vlákien.

Nízke lasery a pevné lasery s vonkajšou dutiny pre generovanie krátke pulzy môže synchronizovať udalosti.

polovodičové lasery s vonkajšou dutiny pozostávajúce z laserovej diódy, ktorá hrá úlohu v zložení média pre zosilnenie v laserovej rezonátora. Schopné zmeniť vlnových dĺžok a majú úzke emisné pásmo.

Injekčné lasery sú polovodičové oblasť žiarenia v širokom pásme, môže generovať kvalita lúča energie nízku niekoľkých wattov. Skladá sa z tenkej aktívnej vrstvy, umiestnené medzi p- a n-vrstvou, tvoriace dvojitý hetero prechodov. Mechanizmus pôrodu svetla v priečnom smere je chýba, čo má za následok vysoké lúča eliptičnost a neprijateľne vysokej prahové prúdy.

Výkonné diód, ktoré sa skladajú z radu diód, širokopásmové, schopných produkovať lúč priemernej kvality výkonu desiatok wattov.

Výkonné dvojrozmerné pole diód môže generovať silu stovky tisíc wattov.

Povrchovo vyžarujúce lasery (VCSEL) emitujúca svetlo kvalita výstupného zväzku niekoľkých miliwattov kolmá na dosku. O radiačnej povrch rezonátorového zrkadla je aplikovaný vo forme vrstiev v dyn ¼ vlny s rôznymi indexmi lomu. Na jeden čip je možné vykonať niekoľko sto lasery, ktoré sa otvára možnosť hromadnej výroby.

C VECSEL lasery optický vstup energie a externý rezonátor, ktorý je schopný generovať lúč kvalitné výkonom niekoľkých wattov na blokovanie režimu.

Pracovné polovodičový laser typu kvantová kaskáda na základe prechodov v pásmach (na rozdiel od páskového). Tieto zariadenia vysielajú v strednej oblasti infračerveného spektra, niekedy v terahertzové. Používajú sa napríklad ako analyzátory plynov.

Polovodičové lasery: aplikácie a hlavné aspekty

Vysoko výkonné diódové lasery s vysoko elektricky čerpaná pri mierne napätie sa používa ako vysoko účinné prostriedky pre dodávanie energie Pevnolátkové lasery.

Polovodičové lasery môžu pracovať v širokom rozsahu frekvencií, ktoré zahŕňa viditeľné, blízke infračervené žiarenie a strednej infračervenej časti spektra. Vytvorené zariadenie tiež zmeniť izducheniya frekvenciu.

Laserové diódy môžu rýchlo prepínať a modulujú jeho optický výkon, ktorý sa používa v optických komunikačných liniek vysielačov.

Tieto vlastnosti tiež polovodičové lasery sú technologicky najdôležitejším typom maser. Sú používané:

• telemetrické senzory, pyrometre, optické výškomer, diaľkomery, pamiatky, holografie;
• vo vláknových optických prenosových systémov a ukladanie dát, súdržných komunikačných systémov;
• laserové tlačiarne, videoprojektory, ukazovátka, čítačka čiarových kódov, skener, CD-prehrávač (DVD, CD, Blu-Ray);
• v bezpečnostných systémoch, kvantovej kryptografie, automatizácie, ukazovateľov;
• v optickej metrológie a spektroskopie;
• v chirurgii, zubné lekárstvo, kozmetiky, terapia;
• čistenie vody, manipuláciu s materiálom, čerpanie polovodičových laserov, riadenie chemických reakcií v priemyselnej triedenia, priemyselných zariadení, systémov zapaľovania a PVO systémov.

pulzný výstup

Väčšina polovodičový laser vytvára súvislý lúč. Vzhľadom na krátke dobe zdržanie elektrónov v úrovni vedenia, ktoré nie sú príliš vhodné pre generovanie Q-switched impulzy, ale kvázi-kontinuálny spôsob prevádzky môže výrazne zvýšiť kvantovej výkon generátora. Okrem toho, polovodičové lasery môžu byť použité pre generovanie ultrakrátkych impulzov módov alebo spínanie zisku. Priemerný výkon krátkych impulzov, obvykle obmedzená na niekoľko miliwattov okrem VECSEL-optického napumpovania lasery, ktorý výstup wattoch nameraných pikosekundové impulzy o frekvencii v poriadku desiatok GHz.

Modulácie a stabilizácia

Výhodou krátkeho pobytu elektrónu v pásme vodivosti polovodičových laserov je schopnosť modulovať vysokej frekvencii, ktoré majú VCSEL-lasery ako 10 GHz. To bolo použité v optickom prenose dát, spektroskopia, laserová stabilizácie.