Polovodičové lasery: typy zařízení, princip fungování, využívání

Polovodičové lasery jsou kvantové generátory na bázi polovodičů aktivního prostředí, ve kterém je optická amplifikaci stimulované emise vytvořené v přechodu mezi kvantové energetické hladiny při vysoké koncentraci volných nosičů náboje v okolí.

Polovodičový laser: Princip fungování

Za normálních okolností, že většina elektronů se nachází na úrovni valenční. Při přiblížení fotonové energie větší než mezery energetické pásmo, polovodič, elektrony přicházejí do stavu excitace, a lámání zakázané zóny, pohybující se do svobodného pásma, soustředit se na svém spodním okraji. Současně otvor vytvořený v úrovni valenční, zvedat se k jeho horní hranici. Elektrony ve volné zóně rekombinovat s otvory, vyzařující energii, která se rovná energii průtržné zóny, ve formě fotonů. Rekombinace může být zvýšena fotonů s dostatečnou energetickou úroveň. Numerická popis odpovídá distribuční funkce Fermiho.

zařízení

Polovodičový laserové zařízení je laserová dioda čerpané elektrony a díry v oblasti p-n-přechodu - bod dotyku s vodivou polovodičovým p- a n-typu. Dále jsou polovodičové lasery s optickým vstupem energie, ve kterém je svazek vytvořené absorpcí fotonů lehkých a kvantových kaskádních laserů, které jsou založeny na přechodech v rámci zón.

struktura

Typické sloučeniny používají v polovodičových laserů a jiných optoelektronických zařízení, a to následovně:

• gallium arsenid;
• fosfid gallia;
• galliumnitrid;
• fosfid india;
• india a galia arsenid;
• gallium hliníku arsenid;
• galium-indium-galliumnitrid;
• phosphide, gallium indium.

vlnová délka

Tyto sloučeniny - přímou mezera polovodiče. Indirect- (křemík) nevyzařuje světlo s dostatečnou silou a účinnosti. Vlnová délka záření laserové diody je závislá na energii energii fotonu blíží zakázané pásmo konkrétní sloučeniny. 3- a 4-komponenta polovodičové sloučeniny energie odstupu pásma, může být plynule měnit v širokém rozmezí. V AlGaAs = Al _x Ga _1-X, jak _je například zvýšení obsahu hliníku (zvýšení x), má za následek zvýšení energetické mezeře pásu.

Zatímco nejběžnější polovodičové lasery pracovat v blízké infračervené části spektra, některé vyzařují červené (gallium fosfid india), modré nebo fialové (galliumnitrid) barvy. Průměrná infračervený polovodičový laser (selenid olova) a kvantové kaskádní lasery.

organické polovodiče

Kromě toho, výše uvedené anorganické sloučeniny mohou být použity i ekologické. Vhodné technologie je stále ve fázi vývoje, ale jeho vývoj slibuje výrazně snížit náklady na výrobu laserů. Zatím pouze vyvinuty organické lasery s dosud nebylo dosaženo optický vstup energie a vysoce výkonné elektrické čerpadlo.

druh

Z množství polovodičových laserů s různými parametry a hodnoty aplikace.

Malé laserové diody produkovalo svazek vysoce kvalitní mechanická záření, jehož energie se pohybuje od několika set až pět set miliwattů. laserová dioda čip je tenká obdélníková deska, která slouží jako vlnovod, protože záření omezena na malém prostoru. Crystal dopovaný obou stranách pro vytvoření PN-přechod velké plochy. Leštěné konce vytvořit optický rezonátor o Fabry - Perot interferometr. Foton procházející dutině pro rekombinace záření zvýší, a zahájí generování. Ty se používají v laserové ukazovátko, CD a DVD přehrávače, stejně jako optických vláken.

Nízké lasery a pevné lasery s vnější dutiny pro generování krátké pulsy může synchronizovat události.

polovodičové lasery s vnější dutiny sestávající z laserové diody, která hraje roli ve složení média pro zesílení v laserové rezonátoru. Schopné změnit vlnových délek a mají úzké emisní pásmo.

Injekční lasery jsou polovodičové oblast záření v širokém pásmu, může generovat kvalita paprsku energie nízkou několika wattů. Skládá se z tenké aktivní vrstvy, umístěné mezi p- a n-vrstvou, tvořící dvojitý heteropřechod. Mechanismus porodu světla v příčném směru je chybí, což má za následek vysoké paprsku eliptičnost a nepřijatelně vysoké prahové proudy.

Výkonné diod, které se skládají z řady diod, širokopásmové, schopných produkovat paprsek průměrné kvality výkonu desítek wattů.

Výkonné dvourozměrné pole diod může generovat sílu stovky tisíc wattů.

Povrchově vyzařující lasery (VCSEL) emitující světlo kvalita výstupního svazku několika miliwattů kolmá na desku. O radiační povrch rezonátorového zrcadla je aplikován ve formě vrstev v dyn ¼ vlny s různými indexy lomu. Na jeden čip lze provést několik set lasery, které se otevírá možnost hromadné výroby.

C VECSEL lasery optický vstup energie a externí rezonátor, který je schopen generovat paprsek kvalitní výkonem několika wattů na blokování režimu.

Pracovní polovodičový laser typu kvantová kaskáda na základě přechodů v pásmech (na rozdíl od páskového). Tato zařízení vysílají ve střední oblasti infračerveného spektra, někdy v terahertzovou. Používají se například jako analyzátory plynů.

Polovodičové lasery: aplikace a hlavní aspekty

Vysoce výkonné diodové lasery s vysoce elektricky čerpána při mírné napětí se používá jako vysoce účinné prostředky pro dodávání energie pevnolátkové lasery.

Polovodičové lasery mohou pracovat v širokém rozsahu frekvencí, které zahrnuje viditelné, blízké infračervené záření a střední infračervené části spektra. Vytvořené zařízení také změnit izducheniya frekvenci.

Laserové diody mohou rychle přepínat a modulují jeho optický výkon, který se používá v optických komunikačních linek vysílačů.

Tyto vlastnosti také polovodičové lasery jsou technologicky nejdůležitějším typem maser. Jsou používány:

• telemetrické senzory, pyrometry, optické výškoměr, dálkoměry, památky, holografie;
• ve vláknových optických přenosových systémů a ukládání dat, soudržných komunikačních systémů;
• laserové tiskárny, videoprojektory, ukazovátka, čtečka čárových kódů, skener, CD-přehrávač (DVD, CD, Blu-Ray);
• v bezpečnostních systémech, kvantové kryptografie, automatizace, ukazatelů;
• v optické metrologie a spektroskopie;
• v chirurgii, zubní lékařství, kosmetiky, terapie;
• čištění vody, manipulaci s materiálem, čerpání polovodičových laserů, řízení chemických reakcí v průmyslové třídění, průmyslových zařízení, systémů zapalování a PVO systémů.

pulzní výstup

Většina polovodičový laser vytváří souvislý paprsek. Vzhledem ke krátké době zdržení elektronů v úrovni vedení, které nejsou příliš vhodné pro generování Q-switched impulsy, ale kvazi-kontinuální způsob provozu může výrazně zvýšit kvantové výkon generátoru. Kromě toho, polovodičové lasery mohou být použity pro generování ultrakrátkých impulsů módů nebo spínání zisku. Průměrný výkon krátkých impulsů, obvykle omezena na několik miliwattů kromě VECSEL-opticky čerpanou lasery, který výstup wattech naměřených pikosekundové impulzy o frekvenci v řádu desítek GHz.

Modulace a stabilizace

Výhodou krátkého pobytu elektronu v pásma vodivosti polovodičových laserů je schopnost modulovat vysoké frekvenci, která mají VCSEL-lasery než 10 GHz. To bylo použito v optickém přenosu dat, spektroskopie, laserová stabilizace.