Лазеры полупроводниковые: виды, устройство, принцип работы, использование

Лазеры полупроводниковые: виды, устройство, принцип работы, применение

Полупроводниковые лазеры являются квантовыми генераторами на основе полупроводниковой активной среды, в которой оптическое усиление создаётся вынужденным излучением при квантовом переходе между энергетическими уровнями при большой концентрации носителей заряда в свободной зоне.

Полупроводниковый лазер: принцип работы

В обычном состоянии большинство электронов расположено на уровне валентности. При подводе фотонами энергии, превышающей энергию зоны разрыва, электроны полупроводника приходят в состояние возбуждения и, преодолев запрещённую зону, переходят в свободную зону, концентрируясь у её нижнего края. Одновременно дырки, образовавшиеся на валентном уровне, поднимаются к её верхней границе. Электроны в свободной зоне рекомбинируют с дырками, излучая энергию, равную энергии зоны разрыва, в виде фотонов. Рекомбинация может быть усилена фотонами с достаточным уровнем энергии. Численное описание соответствует функции распределения Ферми.


лазеры полупроводниковые

Устройство

Устройство полупроводникового лазера представляет собой лазерный диод, накачиваемый энергией электронов и дырок в зоне р-n-перехода – месте соприкосновения полупроводников с проводимостью p- и n-типа. Кроме того, существуют лазеры полупроводниковые с оптическим подводом энергии, в которых пучок формируется при поглощении фотонов света, а также квантовые каскадные лазеры, работа которых основана на переходах внутри зон.

Состав

Стандартные соединения, используемые как в полупроводниковых лазерах, так и в других оптоэлектронных устройствах, следующие:

  • арсенид галлия;
  • фосфид галлия;
  • нитрид галлия;
  • фосфид индия;
  • арсенид индия-галлия;
  • арсенид алюминия-галлия;
  • арсенид-нитрид галлия-индия;
  • фосфид галлия-индия.

полупроводниковые лазеры

Длина волны

Эти соединения – прямозонные полупроводники. Непрямозонные (кремний) света с достаточной силой и эффективностью не излучают. Длина волны излучения диодного лазера зависит от степени приближения энергии фотона к энергии зоны разрыва конкретного соединения. В 3- и 4-компонентных соединениях полупроводников энергия зоны разрыва может непрерывно меняться в широком диапазоне. У AlGaAs = AlxGa1-хAs, например, увеличение содержание алюминия (увеличение х) имеет следствием рост энергии зоны разрыва.


В то время как наиболее распространенные полупроводниковые лазеры работают в ближней ИК части спектра, некоторые излучают красный (фосфид галлий-индия), синий или фиолетовый (нитрид галлия) цвета. Среднее инфракрасное излучение создают лазеры полупроводниковые (селенид свинца) и квантовые каскадные лазеры.

Органические полупроводники

Кроме вышеупомянутых неорганических соединений, могут применяться и органические. Соответствующая технология всё ещё находится в стадии разработки, но её развитие обещает значительно удешевить производство квантовых генераторов. Пока лишь разработаны органические лазеры с оптическим подводом энергии, а высокоэффективная электрическая накачка ещё не достигнута.

работа полупроводникового лазера

Разновидности

Создано множество полупроводниковых лазеров, отличающихся параметрами и прикладным значением.

Малые лазерные диоды производят качественный пучок торцевого излучения, мощность которого колеблется от нескольких до пятисот милливатт. Кристалл лазерного диода представляет собой тонкую пластинку прямоугольной формы, которая служит волноводом, так как излучение ограничено небольшим пространством. Кристалл легируется с двух сторон для создания p-n-перехода большой площади. Полированные торцы создают оптический резонатор Фабри - Перо. Фотон, проходя через резонатор, вызовет рекомбинацию, излучение будет возрастать, и начнётся генерация. Применяются в лазерных указателях, CD- и DVD-проигрывателях, а также в оптоволоконной связи.


устройство полупроводникового лазера

Маломощные монолитные лазеры и квантовые генераторы с внешним резонатором для формирования коротких импульсов могут производить синхронизацию мод.

Лазеры полупроводниковые с внешним резонатором состоят из лазера-диода, играющего роль усиливающей среды в составе большего лазер-резонатора. Способны изменять длины волн и имеют узкую полосу излучения.

Инжекционные полупроводниковые лазеры имеют область излучения в виде широкой полосы, могут генерировать пучок низкого качества мощностью несколько ватт. Состоят из тонкого активного слоя, расположенного между p- и n-слоем, образуя двойной гетеропереход. Механизм удержания света в боковом направлении отсутствует, что имеет следствием высокую эллиптичность пучка и неприемлемо высокие пороговые токи.

полупроводниковый лазер принцип работы

Мощные диодные линейки, состоящие из массива широкополосных диодов, способны производить луч посредственного качества мощностью в десятки ватт.

Мощные двумерные массивы диодов могут генерировать мощность в сотни и тысячи ватт.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) испускают качественный пучок света мощностью в несколько милливатт перпендикулярно к пластине. На поверхности излучения наносят зеркала резонатора в виде слоёв в ¼ дины волны с различными показателями преломления. На одном кристалле можно изготовить несколько сотен лазеров, что открывает возможность их массового производства.

Лазеры VECSEL c оптическим подводом энергии и внешним резонатором способны генерировать пучок хорошего качества мощностью в несколько ватт при синхронизации мод.

инжекционные полупроводниковые лазеры

Работа полупроводникового лазера квантово-каскадного типа основана на переходах внутри зон (в отличие от междузонных). Эти устройства излучают в средней области инфракрасной части спектра, иногда в терагерцовом диапазоне. Их используют, например, в качестве газоанализаторов.

Полупроводниковые лазеры: применение и основные аспекты

Мощные диодные лазеры с высокоэффективной электрической накачкой при умеренных напряжениях используются в качестве средств подвода энергии высокоэффективных твердотельных лазеров.

Полупроводниковые лазеры могут работать в большом диапазоне частот, который включает видимую, ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную часть спектра. Созданы устройства, позволяющие также изменять частоту издучения.

Лазерные диоды могут быстро переключать и модулировать оптическую мощность, что находит применение в передатчиках оптоволоконных линий связи.

Такие характеристики сделали лазеры полупроводниковые технологически наиболее важным типом квантовых генераторов. Они применяются:

  • в датчиках телеметрии, пирометрах, оптических высотомерах, дальномерах, прицелах, голографии;
  • в оптоволоконных системах оптической передачи и хранения данных, системах когерентной связи;
  • в лазерных принтерах, видеопроекторах, указателях, сканерах штрих-кода, сканерах изображений, проигрывателях компакт-дисков (DVD, CD, Blu-Ray);
  • в охранных системах, квантовой криптографии, автоматике, индикаторах;
  • в оптической метрологии и спектроскопии;
  • в хирургии, стоматологии, косметологии, терапии;
  • для очистки воды, обработки материалов, накачки твердотельных лазеров, контроля химических реакций, в промышленной сортировке, промышленном машиностроении, системах зажигания, системах ПВО.

полупроводниковые лазеры применение

Импульсный выход

Большинство полупроводниковых лазеров генерирует непрерывный пучок. Из-за короткой продолжительности пребывания электронов на уровне проводимости они не очень подходят для генерации импульсов с модуляцией добротности, но квазинепрерывный режим работы позволяет значительно повысить мощность квантового генератора. Кроме того, полупроводниковые лазеры могут быть использованы для формирования сверхкоротких импульсов с синхронизацией мод или переключением коэффициента усиления. Средняя мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими милливаттами, за исключением VECSEL-лазеров с оптической накачкой, выход которых измеряется многоваттными пикосекундными импульсами частотой в десятки гигагерц.

Модуляция и стабилизация

Преимуществом кратковременного пребывания электрона в зоне проводимости является способность полупроводниковых лазеров к высокочастотному модулированию, которое у VCSEL-лазеров превышает 10 ГГц. Это нашло применение в оптической передаче данных, спектроскопии, стабилизации лазеров.

Лазер твердотельный: принцип действия, применение
Данная статья показывает, какие бывают источники монохроматического излучения и какие преимущества имеет лазер твердотельный перед другими видами. Здесь рассказано, каким образом происходит генерация когерентного излучения, почему импульсное ...
далее
Принцип действия лазера: специфические особенности лазерного излучения
Первым принцип действия лазера, физика которого основывалась на законе излучения Планка, теоретически обосновал Эйнштейн в 1917 году. Он описал поглощение, спонтанное и вынужденное электромагнитное излучение с помощью вероятностных коэффициентов ...
далее
Лазерная обработка металлов: оборудование, технология, достоинства и ...
В настоящее время на промышленных объектах используется огромное количество разнообразных способов обработки металлических изделий. Лазерная обработка металлов используется довольно часто. Она отличается высокой экономичностью и эффективностью.
далее
Какими бывают виды диодов, характеристики, применение
Официальное определение диода гласит, что это элемент, который имеет различную проводимость, в зависимости от того, в каком направлении течёт электрический ток. Его использование необходимо в цепях, нуждающихся в ограничении пути его следования. ...
далее
Иттербиевый волоконный лазер: принцип работы, применение
Волоконные лазеры компактны и прочны, точно наводятся и легко рассеивают тепловую энергию. Они бывают разных видов и, имея много общего с оптическими квантовыми генераторами других типов, обладают собственными уникальными преимуществами.
далее
Примеры полупроводников. Типы, свойства, практическое использование
Самым известным полупроводником является кремний. Но, кроме него, есть много других. Примером могут служить такие природные полупроводниковые материалы, как цинковая обманка, куприт, галенит и многие другие. представляет собой один из наиболее разносторонних классов материалов, известных человеку.
далее
Примеры полупроводников. Типы, свойства, практическое использование
Газовый лазер: краткое описание, характеристики, принцип действия
Основным рабочим компонентом любого лазерного устройства является так называемая активная среда. Она не только выступает источником направленного потока, но и в некоторых вариантах может значительно его усиливать. Именно такой особенностью и обладают газовые смеси, выступающие активным веществом в лазерных установках. При этом существуют разные модели подобных устройств, отличающихся и конструкцией, и характеристиками рабочей среды.
далее
Газовый лазер: краткое описание, характеристики, принцип действия
Лазер рубиновый: принцип действия
Первые лазеры появились несколько десятилетий назад, и по сей день этот сегмент продвигается крупнейшими компаниями. Разработчики получают все новые качества оборудования, позволяя пользователям эффективнее его применять на практике.
далее
Лазер рубиновый: принцип действия
Что это - лазерное излучение? Лазерное излучение: его источники и защита от него
Лазеры становятся все более важными инструментами исследования в области медицины, физики, химии, геологии, биологии и техники. При неправильном использовании они могут ослеплять и наносить травмы (в т. ч. ожоги и электротравмы) операторам и другому персоналу, включая случайных посетителей лаборатории, а также нанести значительный ущерб имуществу.
далее
Что это - лазерное излучение? Лазерное излучение: его источники и защита от него