Какво представлява полупроводниковият лазер?

След изобретяването на първия в света полупроводников лазер през 1962 г., полупроводниковият лазер претърпя огромни промени, насърчавайки значително развитието на други науки и технологии и се счита за едно от най-големите човешки изобретения през ХХ век. През последните десет години полупроводниковите лазери се развиха по-бързо и се превърнаха в най-бързо развиващата се лазерна технология в света. Обхватът на приложение на полупроводниковите лазери обхваща цялата област на оптоелектрониката и се превърна в основна технология на днешната наука за оптоелектрониката. Поради предимствата на малкия размер, проста структура, ниска входяща енергия, дълъг живот, лесна модулация и ниска цена, полупроводниковите лазери се използват широко в областта на оптоелектрониката и са високо оценени от страни по целия свят.

полупроводников лазер
A полупроводников лазере миниатюризиран лазер, който използва Pn преход или Пин преход, съставен от полупроводников материал с директна лента като работно вещество. Има десетки полупроводникови лазерни работни материали. Полупроводниковите материали, които са направени в лазери, включват галиев арсенид, индиев арсенид, индиев антимонид, кадмиев сулфид, кадмиев телурид, оловен селенид, оловен телурид, алуминиев галиев арсенид, индиев фосфор, арсен и др. Има три основни метода на ексцитиране лазери, а именно електрически инжекционен тип, тип оптична помпа и високоенергиен тип възбуждане на електронен лъч. Методът на възбуждане на повечето полупроводникови лазери е електрическо инжектиране, тоест към Pn прехода се прилага право напрежение, за да се генерира стимулирано излъчване в областта на равнината на свързване, тоест диод, насочен напред. Следователно полупроводниковите лазери се наричат ​​още полупроводникови лазерни диоди. За полупроводниците, тъй като електроните преминават между енергийни ленти, а не между отделни енергийни нива, енергията на прехода не е определена стойност, което прави изходната дължина на вълната на полупроводниковите лазери разпределена в широк диапазон. на обхвата. Дължините на вълните, които излъчват, са между 0,3 и 34 μm. Обхватът на дължината на вълната се определя от енергийната междина на лентата на използвания материал. Най-разпространеният е AlGaAs лазер с двоен хетеропреход, който има изходна дължина на вълната 750-890 nm.
Технологията за производство на полупроводникови лазери има опит от дифузионния метод до епитаксия в течна фаза (LPE), епитаксия с парна фаза (VPE), епитаксия с молекулярни лъчи (MBE), метод MOCVD (отлагане на пара от метални органични съединения), епитаксия с химически лъч (CBE) и различни комбинации от тях. Най-големият недостатък на полупроводниковите лазери е, че производителността на лазера е силно повлияна от температурата, а ъгълът на дивергенция на лъча е голям (обикновено между няколко градуса и 20 градуса), така че е лош в насоченост, монохроматичност и кохерентност. Въпреки това, с бързото развитие на науката и технологиите, изследванията на полупроводниковите лазери напредват в посока на дълбочината, а производителността на полупроводниковите лазери непрекъснато се подобрява. Полупроводниковата оптоелектронна технология с полупроводников лазер като ядро ​​ще постигне по-голям напредък и ще играе по-голяма роля в информационното общество на 21-ви век.

Как работят полупроводниковите лазери?
A полупроводников лазере кохерентен източник на радиация. За да генерира лазерна светлина, трябва да бъдат изпълнени три основни условия:
1. Условие на усилване: Установено е разпределението на инверсията на носителите в генериращата среда (активна област). В полупроводника енергийната лента, която представлява енергията на електроните, е съставена от серия от енергийни нива, които са близки до непрекъснати. Следователно в полупроводника, за да се постигне инверсия на населението, броят на електроните в долната част на лентата на проводимост на високоенергийното състояние трябва да бъде много по-голям от броя на дупките в горната част на валентната зона на нискоенергийното състояние състояние между двата региона на енергийната лента. Хетеропреходът е отклонен напред, за да инжектира необходимите носители в активния слой за възбуждане на електрони от валентната лента с по-ниска енергия към лентата на проводимост с по-висока енергия. Стимулирана емисия възниква, когато голям брой електрони в състояние на инверсия на населението се рекомбинират с дупки.
2. За да се получи действително кохерентно стимулирано лъчение, стимулираното лъчение трябва да се подава обратно многократно в оптичния резонатор, за да се образува лазерна осцилация. Лазерният резонатор се образува от естествената повърхност на разцепване на полупроводниковия кристал като огледало, обикновено в Краят, който не излъчва светлина, е покрит с многослоен диелектричен филм с високо отражение, а повърхността на излъчване на светлина е покрита с анти- отразяващ филм. За полупроводниковия лазер с F-p кухина (Fabry-Perot кухина), F-p кухината може лесно да се образува чрез използване на естествената равнина на разцепване на кристала, перпендикулярна на равнината на p-n прехода.
3. За да се образува стабилно трептене, лазерната среда трябва да може да осигури достатъчно голямо усилване, за да компенсира оптичните загуби, причинени от резонатора и загубата, причинена от лазерния изход от повърхността на кухината и т.н., и непрекъснато увеличаване на оптичното поле в кухината. Това изисква достатъчно силно инжектиране на тока, тоест има достатъчно инверсия на населението, колкото по-висока е степента на инверсия на населението, толкова по-голямо е полученото усилване, тоест трябва да бъде изпълнено определено прагово условие на тока. Когато лазерът достигне прага, светлината с определена дължина на вълната може да резонира в кухината и да бъде усилена и накрая да образува лазер и да извежда непрекъснато. Може да се види, че в полупроводниковите лазери диполният преход на електрони и дупки е основният процес на излъчване на светлина и усилване на светлината. За новите полупроводникови лазери понастоящем е признато, че квантовите ямки са основната движеща сила за развитието на полупроводникови лазери. Дали квантовите проводници и квантовите точки могат да се възползват напълно от квантовите ефекти е разширено до този век. Учените са се опитали да използват самоорганизирани структури, за да направят квантови точки в различни материали, а квантовите точки GaInN са били използвани в полупроводниковите лазери.

История на развитие на полупроводниковите лазери
Вполупроводникови лазериот началото на 60-те години на миналия век са лазери с хомопреходи, които са диоди с pn преход, произведени върху един материал. При инжектирането на голям ток, електроните непрекъснато се инжектират в p-областта, а дупките непрекъснато се инжектират в n-областта. Следователно, инверсията на разпределението на носителя се реализира в първоначалната област на изчерпване на pn съединение. Тъй като скоростта на миграция на електроните е по-бърза от тази на дупките, в активната област се появяват радиация и рекомбинация и се излъчва флуоресценция. лазер, полупроводников лазер, който може да работи само на импулси. Вторият етап от развитието на полупроводниковите лазери е хетероструктурният полупроводников лазер, който се състои от два тънки слоя полупроводникови материали с различни междини, като GaAs и GaAlAs, като за първи път се появява единичен хетероструктурен лазер (1969). Инжекционният лазер с единичен хетеропреход (SHLD) е в р-областта на GaAsP-N прехода, за да намали праговата плътност на тока, която е с порядък по-ниска от тази на лазера с хомопреход, но лазерът с единичен хетеропреход все още не може да работи непрекъснато при стайна температура.
От края на 70-те години на миналия век полупроводниковите лазери очевидно са се развили в две посоки, единият е базиран на информация лазер с цел предаване на информация, а другият е базиран на мощност лазер с цел увеличаване на оптичната мощност. Задвижвани от приложения като изпомпвани твърдотелни лазери, полупроводникови лазери с висока мощност (непрекъсната изходна мощност над 100mw и импулсна изходна мощност над 5W може да се нарече високомощни полупроводникови лазери).
През 90-те години на миналия век беше направен пробив, белязан от значително увеличаване на изходната мощност на полупроводниковите лазери, комерсиализацията на високомощни полупроводникови лазери на ниво киловат в чужбина и изхода на домашни пробни устройства, достигащи 600 W. От гледна точка на разширяването на лазерната лента, първите инфрачервени полупроводникови лазери, последвани от 670nm червени полупроводникови лазери, бяха широко използвани. След това, с появата на дължини на вълните от 650 nm и 635 nm, полупроводниковите лазери със синьо-зелена и синя светлина също бяха успешно разработени един след друг. Разработват се и виолетови и дори ултравиолетови полупроводникови лазери от порядъка на 10mW. Повърхностно излъчващите лазери и повърхностно излъчващите лазери с вертикална кухина се развиха бързо в края на 90-те години и бяха разгледани различни приложения в суперпаралелната оптоелектроника. 980nm, 850nm и 780nm устройства вече са практични в оптичните системи. Понастоящем във високоскоростните мрежи на Gigabit Ethernet се използват лазери, излъчващи повърхностно излъчване на вертикална кухина.

Приложения на полупроводникови лазери
Полупроводниковите лазери са клас лазери, които узряват по-рано и напредват по-бързо. Поради широкия си диапазон на дължина на вълната, простото производство, ниската цена и лесното масово производство, както и поради малкия си размер, лекото тегло и дългия живот, те имат бързо развитие в разновидности и приложения. Широка гама, в момента повече от 300 вида.

1. Приложение в индустрията и технологиите
1) Комуникация с оптични влакна.Полупроводников лазере единственият практичен източник на светлина за комуникационна система с оптични влакна, а комуникацията с оптични влакна се превърна в основната линия на съвременната комуникационна технология.
2) Достъп до диск. Полупроводниковите лазери са използвани в паметта на оптичния диск и най-голямото му предимство е, че съхранява голямо количество информация за звук, текст и изображение. Използването на сини и зелени лазери може значително да подобри плътността на съхранение на оптичните дискове.
3) Спектрален анализ. Далечните инфрачервени регулируеми полупроводникови лазери са използвани в анализа на околния газ, наблюдението на замърсяването на въздуха, автомобилните отработени газове и др. Може да се използва в промишлеността за наблюдение на процеса на отлагане на пари.
4) Оптична обработка на информация. Полупроводниковите лазери се използват в оптичните информационни системи. Двумерните масиви от повърхностно излъчващи полупроводникови лазери са идеални източници на светлина за оптични системи за паралелна обработка, които ще се използват в компютрите и оптичните невронни мрежи.
5) Лазерно микропроизводство. С помощта на високоенергийни ултракъси светлинни импулси, генерирани от полупроводникови лазери с Q-превключване, интегралните схеми могат да бъдат изрязани, перфорирани и т.н.
6) Лазерна аларма. Полупроводниковите лазерни аларми са широко използвани, включително аларми за взлом, аларми за ниво на водата, аларми за разстояние на превозни средства и др.
7) Лазерни принтери. Полупроводниковите лазери с висока мощност се използват в лазерните принтери. Използването на сини и зелени лазери може значително да подобри скоростта и разделителната способност на печат.
8) Лазерен баркод скенер. Полупроводниковите лазерни баркод скенери са широко използвани в продажбите на стоки и управлението на книги и архиви.
9) Помпа твърдотелни лазери. Това е важно приложение на високомощните полупроводникови лазери. Използването му за замяна на оригиналната атмосферна лампа може да образува изцяло твърдотелна лазерна система.
10) Лазерен телевизор с висока разделителна способност. В близко бъдеще полупроводниковите лазерни телевизори без електронно-лъчеви тръби, които използват червени, сини и зелени лазери, се очаква да консумират 20 процента по-малко енергия от съществуващите телевизори.

2. Приложения в медицинските и научните изследвания за живота
1) Лазерна хирургия.Полупроводникови лазериса използвани за аблация на меките тъкани, тъканно свързване, коагулация и изпаряване. Тази техника се използва широко в общата хирургия, пластичната хирургия, дерматологията, урологията, акушерството и гинекологията и др.
2) Лазерна динамична терапия. Фоточувствителните субстанции, които имат афинитет към тумора, се натрупват селективно в раковата тъкан и раковата тъкан се облъчва с полупроводников лазер за генериране на реактивни кислородни видове, като се цели да се направи некротична, без да се уврежда здравата тъкан.
3) Научни изследвания за живота. С помощта на "оптичните пинсети" наполупроводникови лазери, възможно е да се уловят живи клетки или хромозоми и да се преместят във всяка позиция. Използва се за насърчаване на клетъчния синтез и изследвания на клетъчните взаимодействия и може да се използва и като диагностична технология за събиране на криминалистични доказателства.