Што е полупроводнички ласер?

Од пронаоѓањето на првиот светски полупроводнички ласер во 1962 година, полупроводничкиот ласер претрпе огромни промени, во голема мера промовирајќи го развојот на други науки и технологија и се смета за еден од најголемите човечки пронајдоци во дваесеттиот век. Во изминатите десет години, полупроводничките ласери се развиваа побрзо и станаа најбрзо растечка ласерска технологија во светот. Опсегот на примена на полупроводнички ласери го опфаќа целото поле на оптоелектрониката и стана основна технологија на денешната наука за оптоелектрониката. Поради предностите на малата големина, едноставната структура, малата влезна енергија, долгиот век на траење, лесната модулација и ниската цена, полупроводничките ласери се широко користени во областа на оптоелектрониката и се високо ценети од земјите ширум светот.

полупроводнички ласер
A полупроводнички ласере минијатуризиран ласер кој користи Pn спој или пин спој составен од директен полупроводнички материјал со јазот на лентата како работна супстанција. Постојат десетици полупроводнички ласерски работни материјали. Полупроводничките материјали кои се направени во ласери вклучуваат галиум арсенид, индиум арсенид, индиум антимонид, кадмиум сулфид, кадмиум телурид, олово селенид, олово телурид, алуминиум галиум арсенид, индиум фосфор, арсен итн. Постојат три главни методи на побудување на полукондукт ласери, имено тип на електрично вбризгување, тип на оптичка пумпа и тип на возбудување со електронски зрак со висока енергија. Методот на возбудување кај повеќето полупроводнички ласери е електрично вбризгување, односно, напреден напон се применува на Pn спојот за да се генерира стимулирана емисија во пределот на раскрсната рамнина, односно диода со пристрасна нанапред. Затоа, полупроводничките ласери се нарекуваат и полупроводнички ласерски диоди. За полупроводниците, бидејќи електроните преминуваат помеѓу енергетските опсези наместо дискретните енергетски нивоа, енергијата на транзиција не е дефинитивна вредност, што прави излезната бранова должина на полупроводничките ласери да се шири на широк опсег. на опсегот. Брановите должини што ги емитуваат се помеѓу 0,3 и 34 ¼ m. Опсегот на бранови должини се одредува според јазот на енергетскиот опсег на употребениот материјал. Најзастапен е ласерот со двојна хетероспој AlGaAs, кој има излезна бранова должина од 750-890 nm.
Технологијата за изработка на ласерски полупроводници има искуство од методот на дифузија до епитаксија во течна фаза (LPE), епитаксија во фаза на пареа (VPE), епитаксија со молекуларен сноп (MBE), метод MOCVD (таложење на пареа на органско соединение на метал), епитаксија на хемиски зрак (CBE) ) и различни комбинации од нив. Најголемиот недостаток на полупроводничките ласери е тоа што на перформансите на ласерот во голема мера влијае температурата, а аголот на дивергенција на зракот е голем (обично помеѓу неколку степени и 20 степени), па затоа е слаб во директност, монохроматичност и кохерентност. Меѓутоа, со брзиот развој на науката и технологијата, истражувањето на полупроводничките ласери напредува во насока на длабочина, а перформансите на полупроводничките ласери постојано се подобруваат. Полупроводничка оптоелектронска технологија со полупроводнички ласер како јадро ќе направи поголем напредок и ќе игра поголема улога во информатичкото општество на 21 век.

Како работат полупроводничките ласери?
A полупроводнички ласере кохерентен извор на зрачење. За да генерира ласерска светлина, мора да се исполнат три основни услови:
1. Услов на засилување: Воспоставена е инверзивна дистрибуција на носачите во медиумот за лази (активен регион). Во полупроводникот, енергетскиот опсег што ја претставува енергијата на електроните е составен од низа енергетски нивоа кои се блиску до континуирани. Затоа, во полупроводникот За да се постигне инверзија на населението, бројот на електрони на дното на проводниот опсег на високоенергетската состојба мора да биде многу поголем од бројот на дупки на врвот на валентниот опсег на ниско-енергетскиот состојба помеѓу двата региона на енергетскиот опсег. Хетероспојот е насочен напред за да ги инјектира потребните носители во активниот слој за да ги возбудат електроните од валентниот опсег со помала енергија до проводниот опсег со поголема енергија. Стимулираната емисија се јавува кога голем број електрони во состојба на инверзија на населението се рекомбинираат со дупки.
2. За да се добие кохерентно стимулирано зрачење, стимулираното зрачење мора да се врати повеќе пати во оптичкиот резонатор за да се формира ласерска осцилација. Ласерскиот резонатор е формиран од природната површина на расцепување на полупроводничкиот кристал како огледало, обично на крајот што не испушта светлина е обложен со повеќеслоен диелектричен филм со висока рефлексија, а површината што емитува светлина е обложена со анти- филм за рефлексија. За полупроводничкиот ласер со шуплина F-p (шуплина Фабри-Перот), шуплината F-p може лесно да се формира со користење на природната рамнина на расцепување на кристалот нормална на рамнината на спојување p-n.
3. За да се формира стабилна осцилација, ласерскиот медиум мора да може да обезбеди доволно голема добивка за да ја компензира оптичката загуба предизвикана од резонаторот и загубата предизвикана од ласерскиот излез од површината на шуплината итн., и континуирано зголемување на оптичкото поле во шуплината. За ова е потребно доволно силно вбризгување на струјата, односно има доволно инверзија на населението, колку е повисок степенот на инверзија на популацијата, толку е поголема добиената добивка, односно мора да се исполни одреден тековен праг услов. Кога ласерот ќе го достигне прагот, светлината со одредена бранова должина може да резонира во шуплината и да се засили, и на крајот да формира ласер и да излегува континуирано. Може да се види дека кај полупроводничките ласери, диполната транзиција на електроните и дупките е основниот процес на емисија на светлина и засилување на светлината. За новите полупроводнички ласери, моментално е познато дека квантните бунари се основната движечка сила за развој на полупроводнички ласери. Дали квантните жици и квантните точки можат целосно да ги искористат предностите на квантните ефекти е проширено до овој век. Научниците се обиделе да користат самоорганизирани структури за да направат квантни точки во различни материјали, а GaInN квантните точки се користени во полупроводнички ласери.

Историја на развој на полупроводнички ласери
Наполупроводнички ласериод раните 1960-ти беа хомоспојувачки ласери, кои беа pn спојни диоди направени на еден материјал. Под вбризгување на напред голема струја, електроните постојано се вбризгуваат во регионот p, а дупките постојано се инјектираат во регионот n. Затоа, инверзијата на дистрибуцијата на носачот се реализира во оригиналниот регион на исцрпување на pn спој. Бидејќи брзината на миграција на електроните е поголема од онаа на дупките, зрачењето и рекомбинацијата се случуваат во активниот регион и се емитува флуоресценција. lasing, полупроводнички ласер кој може да работи само во импулси. Втората фаза од развојот на полупроводничките ласери е хетероструктурниот полупроводнички ласер, кој е составен од два тенки слоја на полупроводнички материјали со различни празнини на појасот, како што се GaAs и GaAlAs, а ласерот со една хетероструктура првпат се појавил (1969). Ласерот за инјектирање со единечна хетероврзница (SHLD) е во p регионот на спојот GaAsP-N за да се намали прагот на густината на струјата, што е ред по големина помала од онаа на хомоспојниот ласер, но ласерот со единечна хетероврзница сè уште не може Континуирана работа на собна температура.
Од крајот на 1970-тите, полупроводничките ласери очигледно се развиле во две насоки, едниот е ласер заснован на информации за целите на пренос на информации, а другиот е ласер базиран на моќност со цел зголемување на оптичката моќност. Управувано од апликации како што се испумпани ласери со цврста состојба, полупроводнички ласери со висока моќност (континуирана излезна моќност од повеќе од 100 mw и излезна пулсна моќност од повеќе од 5 W може да се наречат полупроводнички ласери со висока моќност).
Во 1990-тите, беше направен пробив, кој беше обележан со значително зголемување на излезната моќност на полупроводничките ласери, комерцијализација на полупроводнички ласери со висока моќност на ниво на киловати во странство и моќност на домашни примероци уреди што достигна 600 W. Од гледна точка на проширувањето на ласерската лента, првите инфрацрвени полупроводнички ласери, проследени со црвени полупроводнички ласери од 670 nm, беа широко користени. Потоа, со доаѓањето на брановите должини од 650 nm и 635 nm, полупроводничките ласери со сино-зелена и сино-светлина исто така беа успешно развиени еден по друг. Се развиваат и виолетови, па дури и ултравиолетови полупроводнички ласери од редот од 10 mW. Ласерите што емитуваат површина и ласерите со површинска емисија со вертикална празнина се развија брзо кон крајот на 1990-тите, а разгледани се различни апликации во супер-паралелната оптоелектроника. Уредите од 980 nm, 850 nm и 780 nm се веќе практични во оптичките системи. Во моментов, ласери кои емитуваат вертикална површина на празнина се користат во мрежи со голема брзина на Gigabit Ethernet.

Примени на полупроводнички ласери
Полупроводничките ласери се класа на ласери кои созреваат порано и напредуваат побрзо. Поради нивниот широк опсег на бранови должини, едноставното производство, ниската цена и лесното масовно производство, како и поради нивната мала големина, мала тежина и долг животен век, тие имаат брз развој во сорти и апликации. Широк опсег, во моментов повеќе од 300 видови.

1. Примена во индустријата и технологијата
1) Комуникација со оптички влакна.Полупроводнички ласере единствениот практичен извор на светлина за системот за комуникација со оптички влакна, а комуникацијата со оптички влакна стана мејнстрим на современата комуникациска технологија.
2) Пристап до диск. Полупроводничките ласери се користени во меморијата на оптичките дискови, а најголемата предност им е што складира голема количина на информации за звук, текст и слика. Употребата на сини и зелени ласери може значително да ја подобри густината на складирање на оптичките дискови.
3) Спектрална анализа. Далеку инфрацрвени полупроводнички прилагодливи ласери се користат за анализа на амбиенталниот гас, следење на загадувањето на воздухот, издувните гасови од автомобилите итн. Може да се користат во индустријата за следење на процесот на таложење на пареа.
4) Оптичка обработка на информации. Полупроводничките ласери се користат во оптичките информациски системи. Дводимензионалните низи на полупроводнички ласери кои емитуваат површина се идеални извори на светлина за системи за оптичка паралелна обработка, кои ќе се користат во компјутерите и оптичките невронски мрежи.
5) Ласерска микрофабрикација. Со помош на високоенергетски ултра-кратки светлосни импулси генерирани од полупроводнички ласери со префрлување Q, интегрираните кола може да се сечат, дупчат итн.
6) Ласерски аларм. Широко се користат полупроводнички ласерски аларми, вклучувајќи аларми за провалници, аларми за нивото на водата, аларми за растојание на возилото итн.
7) Ласерски печатачи. Полупроводнички ласери со висока моќност се користат во ласерски печатачи. Користењето сини и зелени ласери може значително да ја подобри брзината и резолуцијата на печатење.
8) Ласерски скенер за баркодови. Полупроводнички ласерски бар-код скенери се широко користени во продажбата на стоки и управувањето со книги и архиви.
9) Пумпајте ласери со цврста состојба. Ова е важна примена на полупроводнички ласери со висока моќност. Користењето за замена на оригиналната ламба за атмосфера може да формира ласерски систем со целосно цврста состојба.
10) Ласерски ТВ со висока дефиниција. Во блиска иднина, полупроводничките ласерски телевизори без цевки со катодни зраци, кои користат црвени, сини и зелени ласери, се проценува дека трошат 20 проценти помалку енергија од постоечките телевизори.

2. Примени во медицинските и животните науки истражувања
1) Ласерска операција.Полупроводнички ласерисе користат за аблација на меките ткива, ткивно поврзување, коагулација и испарување. Оваа техника е широко користена во општа хирургија, пластична хирургија, дерматологија, урологија, акушерство и гинекологија итн.
2) Ласерска динамична терапија. Фотосензитивните супстанции кои имаат афинитет кон туморот селективно се акумулираат во ткивото на ракот, а ткивото на ракот се озрачува со полупроводнички ласер за да се генерираат реактивни видови кислород, со цел да се направи некротичен без да се оштети здравото ткиво.
3) Истражување на науката за животот. Користење на „оптичката пинцета“ наполупроводнички ласери, можно е да се фатат живи клетки или хромозоми и да се преместат во која било положба. Се користи за промовирање на клеточна синтеза и студии за клеточна интеракција, а може да се користи и како дијагностичка технологија за собирање форензички докази.