Pooljuhtlaserid on pooljuhtaktiivsel meediumil põhinevad kvantgeneraatorid, milles optiline võimendus tekib stimuleeritud emissiooniga energiatasemetevahelise kvantsiirde ajal laengukandjate suure kontsentratsiooniga vabas tsoonis.
Pooljuhtlaser: tööpõhimõte
Tavalises olekus paikneb enamik elektrone valentsitasemel. Kui footonid annavad energiat, mis ületab katkestusvööndi energiat, satuvad pooljuhi elektronid ergastusseisundisse ja, ületades keelatud tsooni, lähevad vabasse tsooni, koondudes selle alumisse serva. Samal ajal tõusevad valentsitasemel tekkinud augud selle ülemise piirini. Vabas tsoonis olevad elektronid rekombineeruvad aukudega, kiirgades footonite kujul energiat, mis on võrdne katkestusvööndi energiaga. Rekombinatsiooni saab tõhustada piisava energiatasemega footonite abil. Numbriline kirjeldus vastab Fermi jaotusfunktsioonile.
Seade
Pooljuhtlaserseadeon laserdiood, mida pumbatakse elektronide energiaga ja aukude p-n-siirde tsoonis - p- ja n-tüüpi juhtivusega pooljuhtide kokkupuutepunktis. Lisaks on olemas optilise energiavarustusega pooljuhtlaserid, milles kiir moodustub valguse footonite neelamisel, samuti kvantkaskaadlasereid, mille töö põhineb üleminekutel ribades.
Kompositsioon
Nii pooljuhtlaserites kui ka muudes optoelektroonilistes seadmetes kasutatavad standardühendused on järgmised:
- galliumarseniid;
- galliumfosfiid;
- galliumnitriid;
- indiumfosfiid;
- indium-galliumarseniid;
- galliumalumiiniumarseniid;
- gallium-indium arseniidi nitriid;
- gallium-indiumfosfiid.
Lainepikkus
Need ühendid on otsese vahega pooljuhid. Kaudse vahega (räni) valgus ei kiirga piisav alt tugev alt ja tõhus alt. Dioodlaseri kiirguse lainepikkus sõltub footoni energia lähendamise astmest konkreetse ühendi katkestusvööndi energiale. 3- ja 4-komponendilistes pooljuhtühendites võib katkestusvööndi energia laias vahemikus pidev alt muutuda. AlGaAs=AlxGa1-x Nagu näiteks alumiiniumisisalduse suurenemine (x suurenemine) suurendab katkestusvööndi energia.
Kuigi kõige tavalisemad pooljuhtlaserid töötavad lähi-infrapunakiirguses, kiirgavad mõned punast (indiumgalliumfosfiid), sinist või violetset (galliumnitriid) värvi. Keskmise infrapunakiirgust toodavad pooljuhtlaserid (plii seleniid) ja kvantkaskaadlaserid.
Orgaanilised pooljuhid
Lisaks ülalmainitud anorgaanilistele ühenditele võib kasutada ka orgaanilisi. Vastav tehnoloogia on alles väljatöötamisel, kuid selle arendamine tõotab oluliselt vähendada kvantgeneraatorite tootmiskulusid. Seni on välja töötatud ainult optilise energiavarustusega orgaanilisi lasereid ja ülitõhusat elektrilist pumpamist pole veel saavutatud.
Sordid
Loodud on palju pooljuhtlasereid, mis erinevad parameetrite ja rakendatava väärtuse poolest.
Väikesed laserdioodid toodavad kvaliteetset servakiirgust, mille võimsus ulatub mitmest kuni viiesaja millivatini. Laserdioodi kristall on õhuke ristkülikukujuline plaat, mis toimib lainejuhina, kuna kiirgus on piiratud väikese ruumiga. Kristall on mõlem alt poolt legeeritud, et luua suure ala p-n-ristmik. Poleeritud otsad loovad optilise Fabry-Perot resonaatori. Resonaatorit läbiv footon põhjustab rekombinatsiooni, kiirgus suureneb ja genereerimine algab. Kasutatakse laserosutites, CD- ja DVD-mängijates ning fiiberoptilises sides.
Madala võimsusega monoliitsed laserid ja kvantgeneraatorid, millel on väline resonaator, et moodustada lühikesi impulsse, võivad režiimi lukustada.
LaseridVälise resonaatoriga pooljuht koosnevad laserdioodist, mis mängib võimenduskandja rolli suurema laserresonaatori koostises. Nad on võimelised muutma lainepikkusi ja neil on kitsas emissiooniriba.
Sissepritsega pooljuhtlaserite kiirguspiirkond on lairiba, need võivad tekitada mitme vatise võimsusega madala kvaliteediga kiiret. Need koosnevad õhukesest aktiivsest kihist, mis paikneb p- ja n-kihi vahel, moodustades kahekordse heteroühenduse. Puudub mehhanism valguse hoidmiseks külgsuunas, mille tulemuseks on kaugtule elliptilisus ja lubamatult kõrged lävivoolud.
Võimsad dioodivardad, mis koosnevad paljudest lairibadioodidest, on võimelised tootma kümnete vattide võimsusega keskpärase kvaliteediga kiirt.
Võimas kahemõõtmelised dioodide massiivid võivad toota võimsust sadade ja tuhandete vattide ulatuses.
Pinna kiirgavad laserid (VCSEL-id) kiirgavad kvaliteetset mitme millivatti võimsusega valgusvihku, mis on plaadiga risti. Resonaatorpeeglid kantakse kiirguspinnale erinevate murdumisnäitajatega ¼ lainepikkusega kihtidena. Ühel kiibil saab valmistada mitusada laserit, mis avab masstootmise võimaluse.
VECSELI optilise toiteallika ja välise resonaatoriga laserid suudavad režiimi lukustuses genereerida hea kvaliteediga mitme vatise võimsusega kiirt.
Pooljuhtlaseri kvant-kaskaadtüüp põhineb üleminekutel tsoonides (erinev alt tsoonidevahelistest). Need seadmed kiirgavad keskmises infrapuna piirkonnas, mõnikord terahertsi vahemikus. Neid kasutatakse näiteks gaasianalüsaatoritena.
Pooljuhtlaserid: rakendus ja peamised aspektid
Võimas dioodlasereid, millel on kõrge efektiivsusega elektriline pumpamine mõõduka pinge juures, kasutatakse suure tõhususega pooljuhtlaserite toiteks.
Pooljuhtlaserid võivad töötada laias sagedusvahemikus, mis hõlmab spektri nähtavat, lähi-infrapuna- ja keskmist infrapunaosa. Loodud on seadmed, mis võimaldavad muuta ka emissiooni sagedust.
Laserdioodid võivad optilist võimsust kiiresti ümber lülitada ja moduleerida, mis leiab rakendust fiiberoptilistes saatjates.
Sellised omadused on muutnud pooljuhtlaserid tehnoloogiliselt kõige olulisemaks kvantgeneraatorite tüübiks. Need kehtivad:
- telemeetriaandurites, püromeetrites, optilistes kõrgusmõõturites, kaugusmõõturites, sihikutes, holograafias;
- optilise edastuse ja andmesalvestuse fiiberoptilistes süsteemides, koherentsetes sidesüsteemides;
- laserprinterites, videoprojektorites, osutites, vöötkoodiskannerites, pildiskannerites, CD-mängijates (DVD, CD, Blu-Ray);
- turvasüsteemides, kvantkrüptograafias, automatiseerimises, indikaatorites;
- optilises metroloogias ja spektroskoopias;
- kirurgias, hambaravis, kosmetoloogias, teraapias;
- veetöötluseks,materjalide töötlemine, tahkislaserpumpamine, keemiliste reaktsioonide juhtimine, tööstuslik sorteerimine, tööstustehnika, süütesüsteemid, õhutõrjesüsteemid.
Impulsiväljund
Enamik pooljuhtlasereid tekitab pideva kiire. Tänu elektronide lühikesele viibimisajale juhtivustasemel ei sobi need eriti hästi Q-lülitusega impulsside genereerimiseks, kuid kvaasipidev töörežiim võimaldab oluliselt suurendada kvantgeneraatori võimsust. Lisaks saab pooljuhtlasereid kasutada ülilühikeste impulsside genereerimiseks režiimi lukustamise või võimenduse lülitamisega. Lühikeste impulsside keskmine võimsus on tavaliselt piiratud mõne millivatiga, välja arvatud optiliselt pumbatavad VECSEL-laserid, mille väljundvõimsust mõõdetakse mitme vatise pikosekundiliste impulsside abil, mille sagedus on kümneid gigahertsi.
Modulatsioon ja stabiliseerimine
Elektroni lühiajalise viibimise eeliseks juhtivusribas on pooljuhtlaserite võime kõrgsagedusmodulatsiooniks, mis VCSEL laserite puhul ületab 10 GHz. See on leidnud rakenduse optilises andmeedastuses, spektroskoopias ja laserstabiliseerimises.
