Що таке напівпровідниковий лазер?

З моменту винаходу першого в світі напівпровідникового лазера в 1962 році напівпровідниковий лазер зазнав величезних змін, значно сприяючи розвитку інших наук і технологій, і вважається одним з найбільших винаходів людини в ХХ столітті. За останні десять років напівпровідникові лазери розвивалися швидше і стали найшвидше зростаючою лазерною технологією у світі. Спектр застосування напівпровідникових лазерів охоплює всю область оптоелектроніки і став основою сучасної оптоелектроніки. Завдяки перевагам невеликого розміру, простої структури, низької енергії, тривалого терміну служби, легкої модуляції та низької ціни, напівпровідникові лазери широко використовуються в області оптоелектроніки і високо цінуються країнами по всьому світу.

напівпровідниковий лазер
A напівпровідниковий лазер- це мініатюрний лазер, який використовує Pn-перехід або Pin-перехід, що складається з прямозонного напівпровідникового матеріалу, як робоча речовина. Існують десятки робочих матеріалів для напівпровідникових лазерів. Напівпровідникові матеріали, з яких виготовляються лазери, включають арсенід галію, арсенід індію, антимонід індію, сульфід кадмію, телурид кадмію, селенід свинцю, телурид свинцю, арсенід галію алюмінію, фосфор індію, миш’як тощо. лазери, а саме електричного інжекційного типу, типу оптичного накачування та типу збудження електронного променя високої енергії. Методом збудження більшості напівпровідникових лазерів є електрична інжекція, тобто пряма напруга прикладається до Pn-переходу для створення вимушеного випромінювання в області площини переходу, тобто діода зі зміщеним прямим зміщенням. Тому напівпровідникові лазери ще називають напівпровідниковими лазерними діодами. Для напівпровідників, оскільки електрони переходять між енергетичними діапазонами, а не між дискретними енергетичними рівнями, енергія переходу не є певною величиною, що призводить до поширення вихідної довжини хвилі напівпровідникових лазерів у широкому діапазоні. на асортименті. Довжини хвиль, які вони випромінюють, становлять від 0,3 до 34 μm. Діапазон довжин хвиль визначається шириною забороненої зони використовуваного матеріалу. Найпоширенішим є лазер з подвійним гетеропереходом AlGaAs, який має вихідну довжину хвилі 750-890 нм.
Технологія виробництва напівпровідникового лазера має досвід від дифузійного методу до рідкофазної епітаксії (LPE), парофазної епітаксії (VPE), молекулярно-променевої епітаксії (MBE), методу MOCVD (осадження з пари металоорганічних сполук), хімічно-променевої епітаксії (CBE) і різноманітні їх комбінації. Найбільшим недоліком напівпровідникових лазерів є те, що на продуктивність лазера сильно впливає температура, а кут розбіжності променя великий (зазвичай від кількох градусів до 20 градусів), тому він поганий щодо спрямованості, монохроматичності та когерентності. Проте зі стрімким розвитком науки і техніки дослідження напівпровідникових лазерів просуваються в напрямку глибини, а продуктивність напівпровідникових лазерів постійно покращується. Напівпровідникова оптоелектронна технологія з напівпровідниковим лазером як ядром досягне більшого прогресу та відіграє більшу роль в інформаційному суспільстві 21 століття.

Як працюють напівпровідникові лазери?
A напівпровідниковий лазерє джерелом когерентного випромінювання. Щоб він генерував лазерне світло, повинні бути виконані три основні умови:
1. Умова посилення: встановлено інверсійний розподіл носіїв у середовищі генерації (активній області). У напівпровіднику енергетична зона, яка представляє енергію електронів, складається з серії енергетичних рівнів, близьких до безперервних. Отже, в напівпровіднику для досягнення інверсії населеності кількість електронів у нижній частині зони провідності високоенергетичного стану має бути набагато більшою за кількість дірок у верхній частині валентної зони низькоенергетичного стан між двома областями енергетичного діапазону. Гетероперехід зміщений вперед, щоб ввести необхідні носії в активний шар для збудження електронів з валентної зони з меншою енергією в зону провідності з більшою енергією. Стимульована емісія виникає, коли велика кількість електронів у стані інверсії населення рекомбінується з дірками.
2. Щоб фактично отримати когерентне вимушене випромінювання, вимушене випромінювання має подаватись назад кілька разів в оптичний резонатор для утворення лазерних коливань. Лазерний резонатор утворений природною поверхнею спайності напівпровідникового кристала як дзеркало, як правило, в кінець, який не випромінює світло, покритий багатошаровою діелектричною плівкою з високим відбиттям, а поверхня, що випромінює світло, покрита анти- плівка відбиття. Для напівпровідникового лазера з F-p резонатором (резонатор Фабрі-Перо) резонатор F-p можна легко сформувати, використовуючи природну площину спайності кристала, перпендикулярну площині p-n-переходу.
3. Щоб сформувати стабільні коливання, лазерне середовище має бути здатним забезпечити достатньо великий підсилення, щоб компенсувати оптичні втрати, викликані резонатором, і втрати, викликані виходом лазера з поверхні резонатора тощо, і безперервно збільшення оптичного поля в резонаторі. Для цього потрібна досить сильна ін’єкція струму, тобто достатньо інверсії населеності, чим вищий ступінь інверсії населення, тим більший отриманий підсилення, тобто має бути виконана певна порогова умова струму. Коли лазер досягає порога, світло з певною довжиною хвилі може резонувати в резонаторі і посилюватися, і, нарешті, утворювати лазер і виходити безперервно. Видно, що в напівпровідникових лазерах дипольний перехід електронів і дірок є основним процесом світлового випромінювання та посилення світла. Для нових напівпровідникових лазерів в даний час визнано, що квантові яри є основною рушійною силою для розробки напівпровідникових лазерів. Про те, чи можуть квантові дроти та квантові точки в повній мірі скористатися квантовими ефектами, було розширено до цього століття. Вчені намагалися використовувати самоорганізовані структури для створення квантових точок у різних матеріалах, а квантові точки GaInN були використані в напівпровідникових лазерах.

Історія розвитку напівпровідникових лазерів
Theнапівпровідникові лазерипочатку 1960-х років були гомоперехідними лазерами, які являли собою діоди з pn-переходом, виготовлені з одного матеріалу. При прямому великому інжекції струму електрони безперервно інжектуються в область p, а дірки безперервно інжектуються в область n. Таким чином, інверсія розподілу носіїв реалізується в початковій області виснаження pn-переходу. Оскільки швидкість міграції електронів вища, ніж у дірок, випромінювання та рекомбінація відбуваються в активній області, і випромінюється флуоресценція. генерація, напівпровідниковий лазер, який може працювати тільки в імпульсах. Другим етапом розвитку напівпровідникових лазерів є гетероструктурний напівпровідниковий лазер, який складається з двох тонких шарів напівпровідникових матеріалів з різною шириною забороненої зони, таких як GaAs і GaAlAs, і вперше з'явився лазер з однією гетероструктурою (1969). Інжекційний лазер з одним гетеропереходом (SHLD) знаходиться в p-області переходу GaAsP-N, щоб зменшити порогову щільність струму, яка на порядок нижче, ніж у лазера з гомопереходом, але лазер з одним гетеропереходом все ще не може працювати безперервно при кімнатна температура.
З кінця 1970-х років напівпровідникові лазери, очевидно, розвивалися в двох напрямках: один є інформаційним лазером з метою передачі інформації, а інший — потужним лазером з метою збільшення оптичної потужності. За допомогою таких додатків, як твердотільні лазери з накачкою, напівпровідникові лазери високої потужності (безперервна вихідна потужність понад 100 мВт і вихідна імпульсна потужність понад 5 Вт можна назвати високопотужними напівпровідниковими лазерами).
У 1990-х роках відбувся прорив, який ознаменувався значним збільшенням вихідної потужності напівпровідникових лазерів, комерціалізацією потужних напівпровідникових лазерів на кіловатному рівні за кордоном, а вихід вітчизняних зразкових пристроїв досяг 600 Вт. З точки зору розширення діапазону лазера, спочатку широко використовувалися інфрачервоні напівпровідникові лазери, а потім червоні напівпровідникові лазери 670 нм. Потім, з появою довжин хвиль 650 нм і 635 нм, один за одним були успішно розроблені напівпровідникові лазери синьо-зеленого і синього світла. Розробляються також фіолетові і навіть ультрафіолетові напівпровідникові лазери потужністю близько 10 мВт. Наприкінці 1990-х років швидко розвивалися лазери з поверхневим випромінюванням і лазери з вертикальним резонатором, і розглядалися різноманітні можливості застосування в суперпаралельній оптоелектроніці. Пристрої 980 нм, 850 нм і 780 нм вже практичні в оптичних системах. В даний час у високошвидкісних мережах Gigabit Ethernet використовуються лазери, що випромінюють поверхню з вертикальним резонатором.

Застосування напівпровідникових лазерів
Напівпровідникові лазери - це клас лазерів, які дозрівають раніше і розвиваються швидше. Завдяки широкому діапазону довжин хвиль, простому виробництву, низькій вартості та легкому масовому виробництву, а також через їх невеликий розмір, легку вагу та тривалий термін служби вони швидко розвиваються у різноманітності та застосуванні. Широкий асортимент, в даний час понад 300 видів.

1. Застосування в промисловості та техніці
1) Волоконно-оптичний зв'язок.Напівпровідниковий лазерє єдиним практичним джерелом світла для волоконно-оптичної системи зв'язку, а оптоволоконний зв'язок став основним напрямом сучасних комунікаційних технологій.
2) Доступ до диска. Напівпровідникові лазери використовувалися в пам’яті оптичного диска, і найбільша його перевага полягає в тому, що вони зберігають велику кількість звукової, текстової та графічної інформації. Використання синіх і зелених лазерів може значно покращити щільність зберігання оптичних дисків.
3) Спектральний аналіз. Напівпровідникові лазери з далеким інфрачервоним діапазоном використовуються в аналізі навколишнього газу, моніторингу забруднення повітря, автомобільних вихлопних газів тощо. Його можна використовувати в промисловості для моніторингу процесу осадження з пари.
4) Оптична обробка інформації. Напівпровідникові лазери знайшли застосування в оптичних інформаційних системах. Двовимірні масиви поверхневих напівпровідникових лазерів є ідеальними джерелами світла для систем паралельної оптичної обробки, які будуть використовуватися в комп’ютерах та оптичних нейронних мережах.
5) Лазерне мікровиготовлення. За допомогою ультракоротких світлових імпульсів високої енергії, які генеруються напівпровідниковими лазерами з модуляцією добротності, інтегральні схеми можна вирізати, пробити тощо.
6) Лазерна сигналізація. Напівпровідникові лазерні сигналізації широко використовуються, включаючи охоронну сигналізацію, сигналізацію рівня води, сигналізацію відстані транспортного засобу тощо.
7) Лазерні принтери. У лазерних принтерах використовуються потужні напівпровідникові лазери. Використання синіх і зелених лазерів може значно покращити швидкість друку та роздільну здатність.
8) Лазерний сканер штрих-коду. Напівпровідникові лазерні сканери штрих-коду знайшли широке застосування в продажу товарів, а також в управлінні книгами та архівами.
9) Накачування твердотільних лазерів. Це важливе застосування потужних напівпровідникових лазерів. Використання його для заміни оригінальної атмосферної лампи може сформувати повністю твердотільну лазерну систему.
10) Лазерний телевізор високої чіткості. За оцінками, найближчим часом напівпровідникові лазерні телевізори без електронно-променевих трубок, які використовують червоний, синій і зелений лазери, споживатимуть на 20 відсотків менше енергії, ніж існуючі телевізори.

2. Застосування в медичних та наукових дослідженнях
1) Лазерна хірургія.Напівпровідникові лазерибули використані для абляції м’яких тканин, з’єднання тканин, коагуляції та вапоризації. Ця методика широко використовується в загальній хірургії, пластичній хірургії, дерматології, урології, акушерстві та гінекології тощо.
2) Лазерна динамічна терапія. Світлочутливі речовини, які мають спорідненість до пухлини, вибірково накопичуються в раковій тканині, і ракову тканину опромінюють напівпровідниковим лазером для утворення активних форм кисню, щоб зробити її некротичною, не пошкоджуючи здорову тканину.
3) Наукові дослідження про життя. За допомогою «оптичного пінцета» онапівпровідникові лазери, можна захопити живі клітини або хромосоми та перемістити їх у будь-яке положення. Він був використаний для стимулювання клітинного синтезу та дослідження взаємодії клітин, а також може використовуватися як діагностична технологія для збору судово-медичних доказів.