Ang mga semiconductor laser ay mga quantum generator batay sa isang semiconductor active medium kung saan ang optical amplification ay nalilikha ng stimulated emission sa panahon ng quantum transition sa pagitan ng mga antas ng enerhiya sa mataas na konsentrasyon ng mga charge carrier sa free zone.
Laser ng Semiconductor: prinsipyo ng pagpapatakbo
Sa normal na estado, karamihan sa mga electron ay matatagpuan sa valency level. Kapag ang mga photon ay nagbibigay ng enerhiya na lumampas sa enerhiya ng discontinuity zone, ang mga electron ng semiconductor ay napupunta sa isang estado ng paggulo at, na nagtagumpay sa ipinagbabawal na zone, pumasa sa libreng zone, na tumutuon sa mas mababang gilid nito. Kasabay nito, ang mga butas na nabuo sa antas ng valence ay tumaas sa itaas na hangganan nito. Ang mga electron sa free zone ay muling pinagsama sa mga butas, na nagpapalabas ng enerhiya na katumbas ng enerhiya ng discontinuity zone sa anyo ng mga photon. Ang recombination ay maaaring mapahusay ng mga photon na may sapat na antas ng enerhiya. Ang numerical na paglalarawan ay tumutugma sa Fermi distribution function.
Device
Semiconductor laser deviceay isang laser diode na pumped na may enerhiya ng mga electron at mga butas sa p-n-junction zone - ang punto ng contact ng semiconductors na may p- at n-type na conductivity. Bilang karagdagan, may mga semiconductor laser na may optical na supply ng enerhiya, kung saan ang sinag ay nabuo sa pamamagitan ng pagsipsip ng mga photon ng liwanag, pati na rin ang mga quantum cascade laser, na ang operasyon ay batay sa mga transition sa loob ng mga banda.
Komposisyon
Ang mga karaniwang koneksyon na ginagamit sa parehong semiconductor laser at iba pang optoelectronic na device ay ang mga sumusunod:
- gallium arsenide;
- gallium phosphide;
- gallium nitride;
- indium phosphide;
- indium-gallium arsenide;
- gallium aluminum arsenide;
- gallium-indium arsenide nitride;
- gallium-indium phosphide.
Haba ng daluyong
Ang mga compound na ito ay direct-gap semiconductors. Ang indirect-gap (silicon) na ilaw ay hindi naglalabas ng sapat na lakas at kahusayan. Ang wavelength ng diode laser radiation ay depende sa antas ng approximation ng photon energy sa enerhiya ng discontinuity zone ng isang partikular na compound. Sa 3- at 4-component na semiconductor compound, ang enerhiya ng discontinuity zone ay maaaring patuloy na mag-iba sa isang malawak na hanay. Para sa AlGaAs=AlxGa1-xBilang, halimbawa, ang pagtaas sa nilalaman ng aluminyo (pagtaas ng x) ay nagreresulta sa pagtaas sa enerhiya ng discontinuity zone.
Habang ang mga pinakakaraniwang semiconductor laser ay gumagana sa malapit na infrared, ang ilan ay naglalabas ng pula (indium gallium phosphide), asul o violet (gallium nitride) na mga kulay. Ang mid-infrared radiation ay ginawa ng mga semiconductor laser (lead selenide) at quantum cascade laser.
Mga organikong semiconductors
Bilang karagdagan sa mga nabanggit na inorganic compound, maaari ding gamitin ang mga organic. Ang kaukulang teknolohiya ay nasa ilalim pa rin ng pag-unlad, ngunit ang pag-unlad nito ay nangangako na makabuluhang bawasan ang halaga ng produksyon ng mga quantum generator. Sa ngayon, tanging mga organic na laser na may optical na supply ng enerhiya ang nabuo, at hindi pa nakakamit ang napakahusay na electric pumping.
Varieties
Maraming semiconductor laser ang nalikha, naiiba sa mga parameter at inilapat na halaga.
Ang maliliit na laser diode ay gumagawa ng de-kalidad na beam ng edge radiation, na ang kapangyarihan ay mula sa ilang hanggang limang daang milliwatts. Ang kristal ng laser diode ay isang manipis na hugis-parihaba na plato na nagsisilbing isang waveguide, dahil ang radiation ay limitado sa isang maliit na espasyo. Ang kristal ay doped sa magkabilang panig upang lumikha ng isang p-n junction ng isang malaking lugar. Ang pinakintab na mga dulo ay lumikha ng isang optical na Fabry-Perot resonator. Ang isang photon na dumadaan sa resonator ay magdudulot ng recombination, tataas ang radiation, at magsisimula ang henerasyon. Ginagamit sa mga laser pointer, CD at DVD player, at fiber optic na komunikasyon.
Ang mga low-power na monolithic laser at quantum generator na may panlabas na resonator upang makabuo ng mga maiikling pulso ay maaaring makagawa ng mode locking.
Laserssemiconductor na may panlabas na resonator ay binubuo ng isang laser diode, na gumaganap ng papel ng isang amplifying medium sa komposisyon ng isang mas malaking laser resonator. May kakayahan silang baguhin ang mga wavelength at may makitid na emission band.
Ang mga laser semiconductor ng injection ay may rehiyon ng paglabas sa anyo ng isang malawak na banda, ay maaaring makabuo ng mababang kalidad na beam na may lakas na ilang watts. Binubuo ang mga ito ng isang manipis na aktibong layer na matatagpuan sa pagitan ng p- at n-layer, na bumubuo ng double heterojunction. Walang mekanismo para mapanatili ang liwanag sa lateral na direksyon, na nagreresulta sa high beam ellipticity at hindi katanggap-tanggap na high threshold currents.
Ang mga malalakas na diode bar, na binubuo ng hanay ng mga broadband diode, ay may kakayahang gumawa ng beam ng katamtamang kalidad na may lakas na sampu-sampung watts.
Ang malalakas na two-dimensional array ng diode ay maaaring makabuo ng kapangyarihan sa daan-daan at libu-libong watts.
Surface emitting lasers (VCSELs) ay naglalabas ng mataas na kalidad na sinag ng liwanag na may lakas na ilang milliwatt na patayo sa plate. Ang mga salamin ng resonator ay inilalapat sa ibabaw ng radiation sa anyo ng mga layer na ¼ haba ng alon na may iba't ibang mga indeks ng repraktibo. Ilang daang laser ang maaaring gawin sa isang chip, na nagbubukas ng posibilidad ng mass production.
Ang VECSEL lasers na may optical power supply at external resonator ay nakakagawa ng beam na may magandang kalidad na may power na ilang watts sa mode locking.
Ang pagpapatakbo ng isang semiconductor laser quantum-Ang uri ng cascade ay batay sa mga transition sa loob ng mga zone (kumpara sa mga interzone). Ang mga device na ito ay naglalabas sa mid-infrared na rehiyon, kung minsan ay nasa hanay ng terahertz. Ginagamit ang mga ito, halimbawa, bilang mga gas analyzer.
Mga semiconductor laser: aplikasyon at pangunahing aspeto
Ang malalakas na diode laser na may high-efficiency electrical pumping sa katamtamang boltahe ay ginagamit bilang isang paraan ng pagpapagana ng high-efficiency solid-state lasers.
Ang mga semiconductor laser ay maaaring gumana sa malawak na hanay ng frequency, na kinabibilangan ng nakikita, malapit-infrared, at mid-infrared na bahagi ng spectrum. Nagawa ang mga device na nagbibigay-daan din sa iyong baguhin ang dalas ng paglabas.
Ang mga laser diode ay maaaring mabilis na lumipat at mag-modulate ng optical power, na nakakahanap ng aplikasyon sa mga fiber optic transmitter.
Ang ganitong mga katangian ay naging dahilan upang ang mga semiconductor laser sa teknolohiya ang pinakamahalagang uri ng mga quantum generator. Nalalapat sila:
- sa mga telemetry sensor, pyrometer, optical altimeter, rangefinder, tanawin, holography;
- sa fiber optic system ng optical transmission at data storage, magkakaugnay na sistema ng komunikasyon;
- sa mga laser printer, video projector, pointer, barcode scanner, image scanner, CD player (DVD, CD, Blu-Ray);
- sa mga sistema ng seguridad, quantum cryptography, automation, mga indicator;
- sa optical metrology at spectroscopy;
- sa operasyon, dentistry, cosmetology, therapy;
- para sa paggamot ng tubig,pagpoproseso ng mga materyales, solid-state laser pumping, chemical reaction control, industrial sorting, industrial engineering, ignition system, air defense system.
Pulse output
Karamihan sa mga semiconductor laser ay bumubuo ng tuluy-tuloy na sinag. Dahil sa maikling oras ng paninirahan ng mga electron sa antas ng pagpapadaloy, hindi sila masyadong angkop para sa pagbuo ng mga Q-switched pulse, ngunit ang quasi-continuous na mode ng operasyon ay nagbibigay-daan sa isang makabuluhang pagtaas sa kapangyarihan ng quantum generator. Bilang karagdagan, ang mga semiconductor laser ay maaaring gamitin upang makabuo ng mga ultrashort pulse na may mode locking o gain switching. Ang average na lakas ng maiikling pulso ay karaniwang limitado sa ilang milliwatts, maliban sa mga optically pumped na VECSEL laser, na ang output ay sinusukat sa pamamagitan ng multi-watt picosecond pulse na may dalas na sampu-sampung gigahertz.
Modulation at stabilization
Ang bentahe ng maikling pananatili ng isang electron sa conduction band ay ang kakayahan ng mga semiconductor laser sa high-frequency modulation, na para sa VCSEL lasers ay lumampas sa 10 GHz. Nakahanap ito ng aplikasyon sa optical data transmission, spectroscopy, laser stabilization.
