Kaj je polprevodniški laser?

Od izuma prvega polprevodniškega laserja na svetu leta 1962 je polprevodniški laser doživel ogromne spremembe, ki so močno spodbudile razvoj druge znanosti in tehnologije, in velja za enega največjih človeških izumov v dvajsetem stoletju. V zadnjih desetih letih so se polprevodniški laserji hitreje razvijali in postali najhitreje rastoča laserska tehnologija na svetu. Področje uporabe polprevodniških laserjev pokriva celotno področje optoelektronike in je postalo jedro tehnologije današnje optoelektronske znanosti. Zaradi prednosti majhnosti, enostavne strukture, nizke vhodne energije, dolge življenjske dobe, enostavne modulacije in nizke cene se polprevodniški laserji pogosto uporabljajo na področju optoelektronike in so bili zelo cenjeni v državah po vsem svetu.

polprevodniški laser
A polprevodniški laserje miniaturiziran laser, ki kot delovno snov uporablja spoj Pn ali Pin spoj, sestavljen iz polprevodniškega materiala z direktno pasovno vrzeljo. Obstaja na desetine polprevodniških laserskih delovnih materialov. Polprevodniški materiali, ki so bili izdelani v laserje, vključujejo galijev arzenid, indijev arzenid, indijev antimonid, kadmijev sulfid, kadmijev telurid, svinčev selenid, svinčev telurid, aluminijev galijev arzenid, indijev fosfor, arzen itd. Obstajajo tri glavne metode ekscitacije. laserji, in sicer tip električnega vbrizgavanja, tip optične črpalke in tip vzbujanja visokoenergijskega elektronskega žarka. Metoda vzbujanja večine polprevodniških laserjev je električno injiciranje, to pomeni, da se na spoj Pn dovede naprej napetost, da se ustvari stimulirana emisija v območju ravnine stičišča, to je dioda, usmerjena naprej. Zato se polprevodniški laserji imenujejo tudi polprevodniške laserske diode. Za polprevodnike, ker elektroni prehajajo med energijskimi pasovi in ​​ne med diskretnimi energijskimi ravnmi, energija prehoda ni določena vrednost, zaradi česar se izhodna valovna dolžina polprevodniških laserjev razprostira v širokem območju. na dosegu. Valovne dolžine, ki jih oddajajo, so med 0,3 in 34 μm. Razpon valovne dolžine je določen z energijsko vrzeljo uporabljenega materiala. Najpogostejši je AlGaAs dvojni heterostični laser, ki ima izhodno valovno dolžino 750-890 nm.
Tehnologija izdelave polprevodniškega laserja je doživela od difuzijske metode do epitaksije s tekočo fazo (LPE), epitaksije s parno fazo (VPE), epitaksije molekularnega snopa (MBE), metode MOCVD (parno nanašanje kovinskih organskih spojin), epitaksije s kemičnim žarkom (CBE) in različne njihove kombinacije. Največja pomanjkljivost polprevodniških laserjev je, da na zmogljivost laserja močno vpliva temperatura, kot divergence žarka pa je velik (običajno med nekaj stopinjami in 20 stopinjami), zato je slab po usmerjenosti, monokromatnosti in koherentnosti. Vendar pa s hitrim razvojem znanosti in tehnologije raziskave polprevodniških laserjev napredujejo v smeri globine, zmogljivost polprevodniških laserjev pa se nenehno izboljšuje. Polprevodniška optoelektronska tehnologija s polprevodniškim laserjem kot jedrom bo dosegla večji napredek in igrala večjo vlogo v informacijski družbi 21. stoletja.

Kako delujejo polprevodniški laserji?
A polprevodniški laserje koherentni vir sevanja. Za ustvarjanje laserske svetlobe morajo biti izpolnjeni trije osnovni pogoji:
1. Pogoj ojačenja: Vzpostavljena je inverzna porazdelitev nosilcev v mediju laserja (aktivno območje). V polprevodniku je energijski pas, ki predstavlja energijo elektronov, sestavljen iz niza energijskih nivojev, ki so blizu neprekinjenih. Zato mora biti v polprevodniku, da bi dosegli inverzijo populacije, število elektronov na dnu prevodnega pasu visokoenergijskega stanja veliko večje od števila lukenj na vrhu valenčnega pasu nizkoenergijskega stanje med obema regijama energijskih pasov. Heterospoj je nagnjen naprej, da injicira potrebne nosilce v aktivno plast, da vzbudi elektrone iz valenčnega pasu z nižjo energijo v prevodni pas z višjo energijo. Stimulirana emisija se pojavi, ko se veliko število elektronov v stanju populacijske inverzije rekombinira z luknjami.
2. Za dejansko pridobitev koherentnega stimuliranega sevanja je treba stimulirano sevanje večkrat vrniti nazaj v optični resonator, da se tvori lasersko nihanje. Laserski resonator tvori naravna cepitvena površina polprevodniškega kristala kot zrcalo, običajno v Konec, ki ne oddaja svetlobe, je prevlečen z visokoodbojnim večslojnim dielektričnim filmom, površina, ki oddaja svetlobo, pa je prevlečena z anti- odsevni film. Za polprevodniški laser z votlino F-p (Fabry-Perotova votlina) je mogoče votlino F-p enostavno oblikovati z uporabo naravne cepitvene ravnine kristala, pravokotne na p-n stičišče.
3. Da bi oblikovali stabilno nihanje, mora biti laserski medij sposoben zagotoviti dovolj velik dobiček, da kompenzira optično izgubo, ki jo povzroči resonator, in izgubo, ki jo povzroči laserski izhod s površine votline itd., in neprekinjeno povečati optično polje v votlini. To zahteva dovolj močno tokovno injekcijo, to pomeni, da je dovolj inverzije populacije, višja kot je stopnja inverzije populacije, večji dobiček, to pomeni, da mora biti izpolnjen določen pogoj tokovnega praga. Ko laser doseže prag, lahko svetloba z določeno valovno dolžino resonira v votlini in se ojača ter končno oblikuje laser in oddaja neprekinjeno. Vidimo, da je pri polprevodniških laserjih dipolni prehod elektronov in lukenj osnovni proces oddajanja in ojačanja svetlobe. Za nove polprevodniške laserje je trenutno priznano, da so kvantne vrtine temeljna gonilna sila za razvoj polprevodniških laserjev. Ali lahko kvantne žice in kvantne pike v celoti izkoristijo kvantne učinke, je bilo razširjeno do tega stoletja. Znanstveniki so poskušali uporabiti samoorganizirane strukture za izdelavo kvantnih pik v različnih materialih, GaInN kvantne pike pa so bile uporabljene v polprevodniških laserjih.

Zgodovina razvoja polprevodniških laserjev
Thepolprevodniški laserjizgodnjih šestdesetih let prejšnjega stoletja so bili laserji s homojunkcijami, ki so bile diode pn spoja, izdelane iz enega materiala. Pri vbrizganju velikega toka naprej se elektroni neprekinjeno vbrizgajo v območje p, luknje pa se neprekinjeno vbrizgajo v območje n. Zato je inverzija porazdelitve nosilcev realizirana v prvotnem območju izčrpavanja pn spoja. Ker je hitrost migracije elektronov hitrejša od hitrosti lukenj, se v aktivnem območju pojavi sevanje in rekombinacija, pri čemer se oddaja fluorescenca. laserski, polprevodniški laser, ki lahko deluje samo v impulzih. Druga stopnja razvoja polprevodniških laserjev je heterostrukturni polprevodniški laser, ki je sestavljen iz dveh tankih plasti polprevodniških materialov z različnimi pasovnimi režami, kot sta GaAs in GaAlAs, prvič pa se je pojavil enojni heterostrukturni laser (1969). Enotni heterostični injekcijski laser (SHLD) je znotraj p-območja spoja GaAsP-N, da se zmanjša mejna gostota toka, ki je za red velikosti nižja od gostote homojunkcijskega laserja, vendar laser z enojno heterojunkcijo še vedno ne more neprekinjeno delovati pri sobna temperatura.
Od poznih sedemdesetih let prejšnjega stoletja so se polprevodniški laserji očitno razvijali v dveh smereh, ena je informacijski laser za prenos informacij, druga pa je močnostni laser z namenom povečanja optične moči. Poganjajo jih aplikacije, kot so črpani polprevodniški laserji, polprevodniški laserji velike moči (neprekinjeno izhodno moč več kot 100mw in impulzno izhodno moč več kot 5W lahko imenujemo polprevodniški laserji velike moči).
V 90. letih prejšnjega stoletja je bil narejen preboj, ki ga je zaznamoval občutno povečanje izhodne moči polprevodniških laserjev, komercializacija visoko zmogljivih polprevodniških laserjev na kilovatni ravni v tujini in izhod domačih vzorčnih naprav, ki je dosegel 600 W. Z vidika širjenja laserskega pasu so se široko uporabljali prvi infrardeči polprevodniški laserji, ki so jim sledili 670nm rdeči polprevodniški laserji. Nato so se s prihodom valovnih dolžin 650 nm in 635 nm uspešno razvili drug za drugim tudi modro-zeleni in modro-svetlobni polprevodniški laserji. Razvijajo se tudi vijolični in celo ultravijolični polprevodniški laserji velikosti 10 mW. Laserji s površinsko oddajanjem in laserji z navpično votlino površinsko sevajočimi laserji so se hitro razvili v poznih devetdesetih letih prejšnjega stoletja in obravnavane so bile različne aplikacije v super-paralelni optoelektroniki. 980nm, 850nm in 780nm naprave so že praktične v optičnih sistemih. Trenutno se laserji z navpičnimi površinskimi votlinami uporabljajo v omrežjih za visoke hitrosti Gigabit Ethernet.

Uporaba polprevodniških laserjev
Polprevodniški laserji so razred laserjev, ki zorijo prej in hitreje napredujejo. Zaradi širokega razpona valovnih dolžin, enostavne proizvodnje, nizke cene in enostavne množične proizvodnje ter zaradi svoje majhnosti, majhne teže in dolge življenjske dobe se hitro razvijajo v različnih vrstah in aplikacijah. Široka paleta, trenutno več kot 300 vrst.

1. Uporaba v industriji in tehnologiji
1) Komunikacija z optičnimi vlakni.Polprevodniški laserje edini praktičen vir svetlobe za komunikacijski sistem z optičnimi vlakni, komunikacija z optičnimi vlakni pa je postala glavni tok sodobne komunikacijske tehnologije.
2) Dostop do diska. Polprevodniški laserji so bili uporabljeni v pomnilniku optičnega diska, njegova največja prednost pa je, da shranjuje veliko količino zvočnih, besedilnih in slikovnih informacij. Uporaba modrega in zelenega laserja lahko močno izboljša gostoto shranjevanja optičnih diskov.
3) Spektralna analiza. Daljno infrardeči nastavljivi polprevodniški laserji so bili uporabljeni pri analizi okoljskega plina, spremljanju onesnaženosti zraka, avtomobilskih izpušnih plinov itd. V industriji se lahko uporablja za spremljanje procesa odlaganja hlapov.
4) Optična obdelava informacij. Polprevodniški laserji so bili uporabljeni v optičnih informacijskih sistemih. Dvodimenzionalni nizi površinsko oddajnih polprevodniških laserjev so idealni viri svetlobe za optične vzporedne procesne sisteme, ki se bodo uporabljali v računalnikih in optičnih nevronskih omrežjih.
5) Laserska mikrofabrikacija. S pomočjo visokoenergijskih ultra kratkih svetlobnih impulzov, ki jih generirajo polprevodniški laserji s preklopom Q, je mogoče rezati, prebijati integrirana vezja itd.
6) Laserski alarm. Polprevodniški laserski alarmi se pogosto uporabljajo, vključno z protivlomnimi alarmi, alarmi za nivo vode, alarmi za razdaljo vozil itd.
7) Laserski tiskalniki. V laserskih tiskalnikih se uporabljajo polprevodniški laserji velike moči. Uporaba modrega in zelenega laserja lahko močno izboljša hitrost in ločljivost tiskanja.
8) Laserski skener črtne kode. Polprevodniški laserski skenerji črtne kode se pogosto uporabljajo pri prodaji blaga ter upravljanju knjig in arhivov.
9) Črpalka polprevodniških laserjev. To je pomembna uporaba polprevodniških laserjev velike moči. Če ga uporabite za zamenjavo originalne atmosferske svetilke, lahko tvorite popolnoma polprevodniški laserski sistem.
10) Laserski televizor visoke ločljivosti. Ocenjuje se, da bodo v bližnji prihodnosti polprevodniški laserski televizorji brez katodnih cevi, ki uporabljajo rdeče, modre in zelene laserje, porabili 20 odstotkov manj energije kot obstoječi televizorji.

2. Uporaba v medicinskih in bioloških raziskavah
1) Laserska kirurgija.Polprevodniški laserjiso bili uporabljeni za ablacijo mehkih tkiv, vezavo tkiv, koagulacijo in vaporizacijo. Ta tehnika se pogosto uporablja v splošni kirurgiji, plastični kirurgiji, dermatologiji, urologiji, porodništvu in ginekologiji itd.
2) Laserska dinamična terapija. Fotosenzitivne snovi, ki imajo afiniteto do tumorja, se selektivno kopičijo v rakavem tkivu, rakavo tkivo pa obsevamo s polprevodniškim laserjem, da ustvarimo reaktivne kisikove vrste, s čimer želimo, da postane nekrotizirano, ne da bi poškodovali zdravo tkivo.
3) Znanstvene raziskave o življenju. Z uporabo "optične pincete" ozpolprevodniški laserji, je mogoče zajeti žive celice ali kromosome in jih premakniti v poljuben položaj. Uporabljali so ga za spodbujanje celične sinteze in študij celičnih interakcij, lahko pa se uporablja tudi kot diagnostična tehnologija za zbiranje forenzičnih dokazov.