Yarımkeçirici lazerlər sərbəst zonada yük daşıyıcılarının yüksək konsentrasiyasında enerji səviyyələri arasında kvant keçidi zamanı stimullaşdırılmış emissiya ilə optik gücləndirmənin yaradıldığı yarımkeçirici aktiv mühitə əsaslanan kvant generatorlarıdır.
Yarımkeçirici lazer: iş prinsipi
Normal vəziyyətdə elektronların çoxu valentlik səviyyəsində yerləşir. Fotonlar kəsilmə zonasının enerjisindən artıq enerji verdikdə, yarımkeçiricinin elektronları həyəcan vəziyyətinə gəlir və qadağan zonanı keçərək, onun aşağı kənarında cəmləşərək sərbəst zonaya keçir. Eyni zamanda, valentlik səviyyəsində əmələ gələn dəliklər onun yuxarı sərhəddinə qalxır. Sərbəst zonadakı elektronlar deşiklərlə rekombinasiya olunaraq fotonlar şəklində kəsilmə zonasının enerjisinə bərabər enerji yayırlar. Rekombinasiya kifayət qədər enerji səviyyələrinə malik fotonlarla gücləndirilə bilər. Rəqəmsal təsvir Fermi paylama funksiyasına uyğundur.
Cihaz
Yarımkeçirici lazer cihazıp-n-qovşaq zonasında - p- və n-tipli keçiriciliyə malik yarımkeçiricilərin təmas nöqtəsində elektronların və deşiklərin enerjisi ilə pompalanan lazer diodudur. Bundan əlavə, şüanın işığın fotonlarının udulması ilə əmələ gəldiyi optik enerji təchizatı ilə yarımkeçirici lazerlər, eləcə də işi lentlər daxilində keçidlərə əsaslanan kvant kaskad lazerləri var.
Tərkibi
Həm yarımkeçirici lazerlərdə, həm də digər optoelektron cihazlarda istifadə olunan standart birləşmələr aşağıdakılardır:
- qallium arsenid;
- qallium fosfit;
- qallium nitridi;
- indium fosfit;
- indium-qallium arsenid;
- qallium alüminium arsenid;
- qallium-indium arsenid nitridi;
- qallium-indium fosfid.
Dalğaboyu
Bu birləşmələr birbaşa boşluqlu yarımkeçiricilərdir. Dolayı boşluqlu (silikon) işıq kifayət qədər güc və səmərəliliklə yaymır. Diod lazer şüalanmasının dalğa uzunluğu foton enerjisinin müəyyən birləşmənin kəsilmə zonasının enerjisinə yaxınlaşma dərəcəsindən asılıdır. 3 və 4 komponentli yarımkeçirici birləşmələrdə kəsilmə zonasının enerjisi davamlı olaraq geniş diapazonda dəyişə bilər. AlGaAs üçün=AlxGa1-xMəsələn, alüminiumun tərkibindəki artım (x-də artım) tərkibindəki artımla nəticələnir. fasilə zonasının enerjisi.
Ən geniş yayılmış yarımkeçirici lazerlər yaxın infraqırmızıda işləsə də, bəziləri qırmızı (indium qalium fosfid), mavi və ya bənövşəyi (qallium nitridi) rənglər yayır. Orta infraqırmızı şüalanma yarımkeçirici lazerlər (qurğuşun selenid) və kvant kaskad lazerləri tərəfindən istehsal olunur.
Üzvi yarımkeçiricilər
Yuxarıda qeyd olunan qeyri-üzvi birləşmələrə əlavə olaraq, üzvi birləşmələrdən də istifadə etmək olar. Müvafiq texnologiya hələ də inkişaf mərhələsindədir, lakin onun inkişafı kvant generatorlarının istehsalının maya dəyərini əhəmiyyətli dərəcədə az altmağı vəd edir. İndiyə qədər yalnız optik enerji təchizatı olan üzvi lazerlər hazırlanmışdır və yüksək səmərəli elektrik nasosu hələ əldə edilməyib.
çeşidlər
Parametrləri və tətbiq olunan dəyəri ilə fərqlənən bir çox yarımkeçirici lazerlər yaradılmışdır.
Kiçik lazer diodları gücü bir neçə ilə beş yüz millivat arasında dəyişən yüksək keyfiyyətli kənar şüalanma şüası yaradır. Lazer diodu kristalı dalğa bələdçisi kimi xidmət edən nazik düzbucaqlı lövhədir, çünki radiasiya kiçik bir məkanla məhdudlaşır. Böyük bir sahənin p-n qovşağını yaratmaq üçün kristalın hər iki tərəfi aşqarlanır. Cilalanmış uclar optik Fabry-Perot rezonatoru yaradır. Rezonatordan keçən foton rekombinasiyaya səbəb olacaq, radiasiya artacaq və nəsil başlayacaq. Lazer göstəricilər, CD və DVD pleyerlər və fiber optik rabitələrdə istifadə olunur.
Qısa impulslar yaratmaq üçün xarici rezonatoru olan aşağı güclü monolit lazerlər və kvant generatorları rejim kilidini yarada bilər.
Lazerlərxarici rezonatoru olan yarımkeçirici daha böyük lazer rezonatorunun tərkibində gücləndirici mühit rolunu oynayan lazer diodundan ibarətdir. Onlar dalğa uzunluqlarını dəyişməyə qadirdirlər və dar emissiya zolağına malikdirlər.
Enjeksiyon yarımkeçirici lazerlər geniş zolaq şəklində emissiya bölgəsinə malikdir, bir neçə vatt gücündə aşağı keyfiyyətli şüa yarada bilər. Onlar p- və n-qatları arasında yerləşən, ikiqat heteroqovuşma əmələ gətirən nazik aktiv təbəqədən ibarətdir. İşığı yanal istiqamətdə saxlamaq üçün heç bir mexanizm yoxdur, bu da yüksək şüa elliptikliyinə və qəbuledilməz dərəcədə yüksək həddi cərəyanlara səbəb olur.
Bir sıra genişzolaqlı diodlardan ibarət güclü diod çubuqları onlarla vatt gücündə orta keyfiyyətli şüa istehsal etməyə qadirdir.
Güclü iki ölçülü diod massivləri yüzlərlə və minlərlə vatt gücündə güc yarada bilər.
Səth emissiya lazerləri (VCSELs) lövhəyə perpendikulyar bir neçə millivat gücündə yüksək keyfiyyətli işıq şüası yayır. Rezonator güzgülər radiasiya səthinə müxtəlif refraktiv göstəricilərə malik ¼ dalğa uzunluğunda təbəqələr şəklində tətbiq olunur. Bir çipdə bir neçə yüz lazer hazırlana bilər ki, bu da kütləvi istehsal imkanını açır.
Optik enerji təchizatı və xarici rezonatoru olan VECSEL lazerləri kilidləmə rejimində bir neçə vatt gücündə keyfiyyətli şüa yarada bilir.
Yarımkeçirici lazer kvantının işləməsikaskad növü zonalar daxilində keçidlərə əsaslanır (zonalararası zonalardan fərqli olaraq). Bu cihazlar orta infraqırmızı bölgədə, bəzən terahertz diapazonunda yayılır. Onlar, məsələn, qaz analizatorları kimi istifadə olunur.
Yarımkeçirici lazerlər: tətbiq və əsas aspektlər
Mülayim gərginliklərdə yüksək effektiv elektrik nasosu olan güclü diod lazerləri yüksək effektiv bərk cisim lazerlərini gücləndirmək vasitəsi kimi istifadə olunur.
Yarımkeçirici lazerlər spektrin görünən, yaxın infraqırmızı və orta infraqırmızı hissələrini əhatə edən geniş tezlik diapazonunda işləyə bilər. Emissiya tezliyini dəyişməyə imkan verən cihazlar yaradılıb.
Lazer diodları optik gücü sürətlə dəyişə və modulyasiya edə bilər, bu da fiber optik ötürücülərdə tətbiq olunur.
Belə xüsusiyyətlər yarımkeçirici lazerləri texnoloji cəhətdən kvant generatorlarının ən vacib növünə çevirmişdir. Onlar tətbiq olunur:
- telemetriya sensorları, pirometrlər, optik hündürlükölçənlər, məsafəölçənlər, görməli yerlər, holoqrafiya;
- optik ötürmə və məlumatların saxlanmasının fiber optik sistemlərində, koherent rabitə sistemlərində;
- lazer printerlərdə, video proyektorlarda, göstəricilərdə, barkod skanerlərində, şəkil skanerlərində, CD pleyerlərdə (DVD, CD, Blu-Ray);
- təhlükəsizlik sistemlərində, kvant kriptoqrafiyasında, avtomatlaşdırmada, göstəricilərdə;
- optik metrologiya və spektroskopiya;
- cərrahiyyə, stomatologiya, kosmetologiya, terapiya;
- su müalicəsi üçün,materialların emalı, bərk cisimli lazer nasosu, kimyəvi reaksiyaya nəzarət, sənaye çeşidlənməsi, sənaye mühəndisliyi, alovlanma sistemləri, hava hücumundan müdafiə sistemləri.
Puls çıxışı
Əksər yarımkeçirici lazerlər davamlı şüa yaradır. Elektronların keçiricilik səviyyəsində qısa qalma müddətinə görə, onlar Q-keçidli impulslar yaratmaq üçün çox uyğun deyil, lakin kvazifasiləsiz iş rejimi kvant generatorunun gücünü əhəmiyyətli dərəcədə artırmağa imkan verir. Bundan əlavə, yarımkeçirici lazerlər rejimin kilidlənməsi və ya qazanc keçidi ilə ultraqısa impulslar yaratmaq üçün istifadə edilə bilər. Qısa impulsların orta gücü, çıxışı onlarla gigahertz tezliyi olan çox vattlı pikosaniyə impulsları ilə ölçülən, optik olaraq vurulan VECSEL lazerləri istisna olmaqla, adətən bir neçə millivatla məhdudlaşır.
Modulyasiya və stabilləşdirmə
Bir elektronun keçiricilik zolağında qısa qalmasının üstünlüyü yarımkeçirici lazerlərin VCSEL lazerləri üçün 10 GHz-dən çox olan yüksək tezlikli modulyasiya qabiliyyətidir. O, optik məlumat ötürülməsi, spektroskopiya, lazer stabilizasiyasında tətbiq tapmışdır.
