Polovodičové lasery sú kvantové generátory založené na polovodičovom aktívnom médiu, v ktorom sa optické zosilnenie vytvára stimulovanou emisiou počas kvantového prechodu medzi energetickými úrovňami pri vysokej koncentrácii nosičov náboja vo voľnej zóne.
Polovodičový laser: princíp činnosti
V normálnom stave sa väčšina elektrónov nachádza na valenčnej úrovni. Keď fotóny dodávajú energiu presahujúcu energiu zóny diskontinuity, elektróny polovodiča sa dostanú do stavu excitácie a po prekonaní zakázanej zóny prechádzajú do voľnej zóny a sústreďujú sa na jej spodnom okraji. Súčasne diery vytvorené na valenčnej úrovni stúpajú k jej hornej hranici. Elektróny vo voľnej zóne sa rekombinujú s dierami a vyžarujú energiu rovnajúcu sa energii zóny diskontinuity vo forme fotónov. Rekombinácia môže byť posilnená fotónmi s dostatočnou úrovňou energie. Číselný popis zodpovedá Fermiho distribučnej funkcii.
Device
Polovodičové laserové zariadenieje laserová dióda napumpovaná energiou elektrónov a otvorov v zóne p-n-prechodu - bode kontaktu polovodičov s vodivosťou typu p a n. Okrem toho existujú polovodičové lasery s dodávkou optickej energie, v ktorých lúč vzniká pohlcovaním fotónov svetla, ako aj kvantové kaskádové lasery, ktorých činnosť je založená na prechodoch v rámci pásiem.
Zloženie
Štandardné pripojenia používané v polovodičových laseroch a iných optoelektronických zariadeniach sú nasledovné:
- arzenid gália;
- fosfid gália;
- nitrid gália;
- fosfid india;
- arzenid indium-gália;
- arzenid gálium-hlinitý;
- nitrid arzenidu gália-india;
- fosfid gálium-indium.
Vlnová dĺžka
Tieto zlúčeniny sú polovodiče s priamou medzerou. Svetlo s nepriamou medzerou (kremík) nevyžaruje s dostatočnou silou a účinnosťou. Vlnová dĺžka žiarenia diódového lasera závisí od stupňa aproximácie energie fotónu k energii zóny diskontinuity konkrétnej zlúčeniny. V 3- a 4-zložkových polovodičových zlúčeninách sa energia zóny diskontinuity môže plynule meniť v širokom rozsahu. Napríklad pre AlGaAs=AlxGa1-xAs má za následok zvýšenie obsahu hliníka (zvýšenie x) zvýšenie energia zóny diskontinuity.
Zatiaľ čo najbežnejšie polovodičové lasery pracujú v blízkej infračervenej oblasti, niektoré vyžarujú červené (fosfid indium-gálium), modré alebo fialové (nitrid gália). Stredné infračervené žiarenie produkujú polovodičové lasery (selenid olovnatý) a kvantové kaskádové lasery.
Organické polovodiče
Okrem vyššie uvedených anorganických zlúčenín je možné použiť aj organické. Zodpovedajúca technológia je stále vo vývoji, no jej vývoj sľubuje výrazné zníženie nákladov na výrobu kvantových generátorov. Doposiaľ boli vyvinuté len organické lasery s dodávkou optickej energie a zatiaľ sa nepodarilo dosiahnuť vysokoúčinné elektrické čerpanie.
Odrody
Bolo vytvorených mnoho polovodičových laserov, ktoré sa líšia parametrami a použitou hodnotou.
Malé laserové diódy produkujú vysokokvalitný lúč okrajového žiarenia, ktorého výkon sa pohybuje od niekoľkých do päťsto miliwattov. Kryštál laserovej diódy je tenká obdĺžniková doska, ktorá slúži ako vlnovod, pretože žiarenie je obmedzené na malý priestor. Kryštál je dopovaný na oboch stranách, aby sa vytvoril p-n prechod veľkej plochy. Leštené konce vytvárajú optický Fabry-Perot rezonátor. Fotón prechádzajúci cez rezonátor spôsobí rekombináciu, žiarenie sa zvýši a začne sa generovanie. Používa sa v laserových ukazovátkach, CD a DVD prehrávačoch a optických komunikáciách.
Nízkovýkonné monolitické lasery a kvantové generátory s externým rezonátorom na vytváranie krátkych impulzov môžu produkovať uzamknutie režimu.
Laserypolovodič s vonkajším rezonátorom pozostáva z laserovej diódy, ktorá plní úlohu zosilňujúceho média v zložení väčšieho laserového rezonátora. Sú schopné meniť vlnové dĺžky a majú úzke emisné pásmo.
Vstrekovacie polovodičové lasery majú emisnú oblasť vo forme širokého pásma, dokážu generovať nekvalitný lúč s výkonom niekoľkých wattov. Pozostávajú z tenkej aktívnej vrstvy umiestnenej medzi p- a n-vrstvou, ktorá tvorí dvojitý heteroprechod. Neexistuje žiadny mechanizmus na udržiavanie svetla v laterálnom smere, čo má za následok elipticitu diaľkových lúčov a neprijateľne vysoké prahové prúdy.
Výkonné diódové tyče pozostávajúce z radu širokopásmových diód sú schopné produkovať lúč priemernej kvality s výkonom desiatok wattov.
Výkonné dvojrozmerné polia diód môžu generovať energiu v stovkách a tisíckach wattov.
Povrchovo vyžarujúce lasery (VCSEL) vyžarujú vysokokvalitný lúč svetla s výkonom niekoľkých miliwattov kolmo na platňu. Rezonátorové zrkadlá sa nanášajú na povrch žiarenia vo forme vrstiev ¼ vlnovej dĺžky s rôznymi indexmi lomu. Na jednom čipe je možné vyrobiť niekoľko stoviek laserov, čo otvára možnosť sériovej výroby.
VECSEL lasery s optickým napájaním a externým rezonátorom sú schopné generovať lúč dobrej kvality s výkonom niekoľkých wattov v režime uzamknutia.
Prevádzka polovodičového laserového kvantového-kaskádový typ je založený na prechodoch v rámci zón (na rozdiel od interzón). Tieto zariadenia vyžarujú v strednej infračervenej oblasti, niekedy v rozsahu terahertzov. Používajú sa napríklad ako analyzátory plynov.
Polovodičové lasery: aplikácia a hlavné aspekty
Výkonné diódové lasery s vysoko účinným elektrickým čerpaním pri miernom napätí sa používajú ako prostriedok na napájanie vysokoúčinných pevnolátkových laserov.
Polovodičové lasery môžu pracovať v širokom frekvenčnom rozsahu, ktorý zahŕňa viditeľnú, blízko infračervenú a strednú infračervenú časť spektra. Boli vytvorené zariadenia, ktoré vám tiež umožňujú meniť frekvenciu vysielania.
Laserové diódy dokážu rýchlo prepínať a modulovať optickú energiu, čo nachádza uplatnenie vo vysielačoch z optických vlákien.
Tieto vlastnosti urobili z polovodičových laserov technologicky najdôležitejší typ kvantových generátorov. Platia:
- v telemetrických senzoroch, pyrometroch, optických výškomeroch, diaľkomeroch, mieridlách, holografii;
- v optických systémoch optického prenosu a ukladania dát, koherentných komunikačných systémoch;
- v laserových tlačiarňach, video projektoroch, ukazovateľoch, skeneroch čiarových kódov, obrazových skeneroch, CD prehrávačoch (DVD, CD, Blu-Ray);
- v bezpečnostných systémoch, kvantovej kryptografii, automatizácii, indikátoroch;
- v optickej metrológii a spektroskopii;
- v chirurgii, stomatológii, kozmeteológii, terapii;
- na úpravu vody,spracovanie materiálov, čerpanie laserom v pevnej fáze, riadenie chemických reakcií, priemyselné triedenie, priemyselné inžinierstvo, zapaľovacie systémy, systémy protivzdušnej obrany.
Impulzný výstup
Väčšina polovodičových laserov generuje súvislý lúč. Kvôli krátkej dobe zotrvania elektrónov na vodivosti nie sú veľmi vhodné na generovanie Q-spínaných impulzov, ale kvázi-kontinuálny režim prevádzky umožňuje výrazné zvýšenie výkonu kvantového generátora. Okrem toho je možné použiť polovodičové lasery na generovanie ultrakrátkych impulzov s blokovaním režimu alebo prepínaním zisku. Priemerný výkon krátkych impulzov je zvyčajne obmedzený na niekoľko miliwattov, s výnimkou opticky čerpaných laserov VECSEL, ktorých výkon sa meria pomocou multiwattových pikosekundových impulzov s frekvenciou desiatok gigahertzov.
Modulácia a stabilizácia
Výhodou krátkeho pobytu elektrónu vo vodivom pásme je schopnosť polovodičových laserov vysokofrekvenčnej modulácie, ktorá u VCSEL laserov presahuje 10 GHz. Našiel uplatnenie v optickom prenose dát, spektroskopii, laserovej stabilizácii.
