Pusvadītāju lāzeri ir kvantu ģeneratori, kuru pamatā ir pusvadītāju aktīvā vide, kurā optisko pastiprinājumu rada stimulēta emisija kvantu pārejas laikā starp enerģijas līmeņiem pie augstas lādiņnesēju koncentrācijas brīvajā zonā.
Pusvadītāju lāzers: darbības princips
Normālā stāvoklī lielākā daļa elektronu atrodas valences līmenī. Kad fotoni piegādā enerģiju, kas pārsniedz pārtraukuma zonas enerģiju, pusvadītāja elektroni nonāk ierosmes stāvoklī un, pārvarējuši aizliegto zonu, pāriet brīvajā zonā, koncentrējoties tās apakšējā malā. Vienlaikus valences līmenī izveidotie caurumi paceļas līdz tā augšējai robežai. Elektroni brīvajā zonā rekombinējas ar caurumiem, izstaro enerģiju, kas vienāda ar pārtraukuma zonas enerģiju fotonu veidā. Rekombināciju var uzlabot fotoni ar pietiekamu enerģijas līmeni. Skaitliskais apraksts atbilst Fermi sadalījuma funkcijai.
Ierīce
Pusvadītāju lāzerierīceir lāzera diode, kas sūknēta ar elektronu enerģiju un caurumiem p-n-savienojuma zonā - pusvadītāju saskares punktā ar p- un n-veida vadītspēju. Papildus ir pieejami pusvadītāju lāzeri ar optisko enerģijas padevi, kuros staru kūli veido, absorbējot gaismas fotonus, kā arī kvantu kaskādes lāzeri, kuru darbības pamatā ir pārejas joslās.
Sastāvs
Standarta savienojumi, ko izmanto gan pusvadītāju lāzeros, gan citās optoelektroniskās ierīcēs, ir šādi:
- gallija arsenīds;
- gallija fosfīds;
- gallija nitrīds;
- indija fosfīds;
- indija-gallija arsenīds;
- gallija alumīnija arsenīds;
- gallija-indija arsenīda nitrīds;
- gallija-indija fosfīds.
Viļņa garums
Šie savienojumi ir tiešas spraugas pusvadītāji. Netiešās spraugas (silīcija) gaisma neizstaro pietiekami spēcīgi un efektīvi. Diodes lāzera starojuma viļņa garums ir atkarīgs no fotona enerģijas tuvinājuma pakāpes konkrēta savienojuma pārtraukuma zonas enerģijai. Trīs un četru komponentu pusvadītāju savienojumos pārtraukuma zonas enerģija var nepārtraukti mainīties plašā diapazonā. AlGaAs=AlxGa1-x Tā kā, piemēram, alumīnija satura palielināšanās (x palielināšanās) palielina pārrāvuma zonas enerģija.
Lai gan visizplatītākie pusvadītāju lāzeri darbojas tuvajā infrasarkanajā starā, daži izstaro sarkanas (indija gallija fosfīda), zilas vai violetas (gallija nitrīda) krāsas. Vidēja infrasarkano starojumu rada pusvadītāju lāzeri (svina selenīds) un kvantu kaskādes lāzeri.
Organiskie pusvadītāji
Papildus iepriekšminētajiem neorganiskajiem savienojumiem var izmantot arī organiskos. Atbilstošā tehnoloģija vēl ir izstrādes stadijā, taču tās izstrāde sola būtiski samazināt kvantu ģeneratoru ražošanas izmaksas. Līdz šim ir izstrādāti tikai organiskie lāzeri ar optisko enerģijas padevi, un vēl nav panākta ļoti efektīva elektriskā sūknēšana.
Šķirnes
Ir izveidoti daudzi pusvadītāju lāzeri, kas atšķiras pēc parametriem un pielietotās vērtības.
Mazas lāzerdiodes rada augstas kvalitātes malu starojuma staru, kura jauda svārstās no vairākiem līdz piecsimt milivatiem. Lāzera diodes kristāls ir plāna taisnstūra plāksne, kas kalpo kā viļņvads, jo starojums ir ierobežots nelielā telpā. Kristāls ir leģēts no abām pusēm, lai izveidotu lielas platības p-n krustojumu. Pulētie gali veido optisko Fabry-Perot rezonatoru. Fotons, kas iet cauri rezonatoram, izraisīs rekombināciju, palielināsies starojums un sāksies ģenerēšana. Izmanto lāzera rādītājos, CD un DVD atskaņotājos un optiskās šķiedras sakaros.
Zemas jaudas monolītie lāzeri un kvantu ģeneratori ar ārēju rezonatoru īsu impulsu veidošanai var radīt režīma bloķēšanu.
Lāzeripusvadītājs ar ārējo rezonatoru sastāv no lāzerdiodes, kas spēlē pastiprinošas vides lomu lielāka lāzera rezonatora sastāvā. Tie spēj mainīt viļņu garumus, un tiem ir šaura emisijas josla.
Injekcijas pusvadītāju lāzeriem ir emisijas apgabals platas joslas formā, tie var ģenerēt zemas kvalitātes staru kūli ar vairāku vatu jaudu. Tie sastāv no plāna aktīvā slāņa, kas atrodas starp p- un n-slāni, veidojot dubultu heterosavienojumu. Nav mehānisma gaismas noturēšanai sānu virzienā, kā rezultātā rodas liela staru kūļa eliptiskums un nepieņemami lielas sliekšņa strāvas.
Jaudīgi diožu stieņi, kas sastāv no platjoslas diožu klāsta, spēj radīt viduvējas kvalitātes staru kūli ar desmitiem vatu jaudu.
Jaudīgi divdimensiju diožu bloki var radīt jaudu simtiem un tūkstošiem vatu.
Virsmas izstarojošie lāzeri (VCSEL) izstaro augstas kvalitātes gaismas staru kūli ar vairāku milivatu jaudu perpendikulāri plāksnei. Rezonatora spoguļi tiek uzklāti uz starojuma virsmas slāņu veidā ar ¼ viļņa garumu ar dažādiem refrakcijas rādītājiem. Vienā mikroshēmā var izgatavot vairākus simtus lāzeru, kas paver masveida ražošanas iespēju.
VECSEL lāzeri ar optisko barošanas avotu un ārējo rezonatoru spēj ģenerēt labas kvalitātes staru kūli ar vairāku vatu jaudu bloķēšanas režīmā.
Pusvadītāju lāzera kvantu-kaskādes veids ir balstīts uz pārejām zonās (pretēji starpzonām). Šīs ierīces izstaro vidējā infrasarkano staru reģionā, dažreiz terahercu diapazonā. Tos izmanto, piemēram, kā gāzes analizatorus.
Pusvadītāju lāzeri: pielietojums un galvenie aspekti
Jaudīgi diožu lāzeri ar augstas efektivitātes elektrisko sūknēšanu ar mērenu spriegumu tiek izmantoti kā līdzeklis augstas efektivitātes cietvielu lāzeru darbināšanai.
Pusvadītāju lāzeri var darboties plašā frekvenču diapazonā, kas ietver spektra redzamo, tuvu infrasarkano un vidējo infrasarkano staru daļu. Ir izveidotas ierīces, kas ļauj mainīt arī emisijas frekvenci.
Lāzerdiodes var ātri pārslēgt un modulēt optisko jaudu, ko var izmantot optisko šķiedru raidītājos.
Šādas īpašības ir padarījušas pusvadītāju lāzerus par tehnoloģiski vissvarīgāko kvantu ģeneratoru veidu. Tie attiecas:
- telemetrijas sensoros, pirometros, optiskajos altimetros, attāluma mērītājos, tēmēkļos, hologrāfijā;
- optiskās pārraides un datu uzglabāšanas šķiedru sistēmās, koherentās sakaru sistēmās;
- lāzerprinteros, video projektoros, rādītājos, svītrkoda skeneros, attēlu skeneros, CD atskaņotājos (DVD, CD, Blu-Ray);
- drošības sistēmās, kvantu kriptogrāfijā, automatizācijā, indikatoros;
- optiskajā metroloģijā un spektroskopijā;
- ķirurģijā, zobārstniecībā, kosmetoloģijā, terapijā;
- ūdens attīrīšanai,materiālu apstrāde, cietvielu lāzersūknēšana, ķīmisko reakciju kontrole, rūpnieciskā šķirošana, rūpnieciskā inženierija, aizdedzes sistēmas, pretgaisa aizsardzības sistēmas.
Impulsa izvade
Lielākā daļa pusvadītāju lāzeru rada nepārtrauktu staru. Sakarā ar elektronu īso uzturēšanās laiku vadītspējas līmenī, tie nav īpaši piemēroti Q-pārslēgtu impulsu ģenerēšanai, bet kvazi-nepārtrauktas darbības režīms ļauj ievērojami palielināt kvantu ģeneratora jaudu. Turklāt pusvadītāju lāzerus var izmantot, lai ģenerētu īpaši īsus impulsus ar režīma bloķēšanu vai pastiprinājuma pārslēgšanu. Īsu impulsu vidējā jauda parasti ir ierobežota līdz dažiem milivatiem, izņemot optiski sūknējamos VECSEL lāzerus, kuru jaudu mēra ar vairāku vatu pikosekundes impulsiem ar desmitiem gigahercu frekvenci.
Modulācija un stabilizācija
Priekšrocība, ko sniedz elektrona īslaicīga uzturēšanās vadītspējas joslā, ir pusvadītāju lāzeru spēja veikt augstfrekvences modulāciju, kas VCSEL lāzeriem pārsniedz 10 GHz. Tas ir atradis pielietojumu optiskajā datu pārraidē, spektroskopijā, lāzera stabilizācijā.
