Kas yra puslaidininkinis lazeris?

Nuo 1962 m., kai buvo išrastas pirmasis pasaulyje puslaidininkinis lazeris, puslaidininkinis lazeris patyrė milžiniškų pokyčių, labai skatindamas kitų mokslo ir technologijų vystymąsi, ir yra laikomas vienu didžiausių žmogaus išradimų XX amžiuje. Per pastaruosius dešimt metų puslaidininkiniai lazeriai vystėsi sparčiau ir tapo greičiausiai augančia lazerių technologija pasaulyje. Puslaidininkinių lazerių taikymo sritis apima visą optoelektronikos sritį ir tapo pagrindine šiandienos optoelektronikos mokslo technologija. Dėl mažo dydžio, paprastos struktūros, mažos įvesties energijos, ilgo tarnavimo, lengvo moduliavimo ir mažos kainos privalumų puslaidininkiniai lazeriai plačiai naudojami optoelektronikos srityje ir yra labai vertinami viso pasaulio šalių.

puslaidininkinis lazeris
A puslaidininkinis lazerisyra miniatiūrinis lazeris, kuriame kaip darbinė medžiaga naudojama Pn jungtis arba kaiščių jungtis, sudaryta iš tiesioginės juostos tarpo puslaidininkinės medžiagos. Yra dešimtys puslaidininkinių lazerinių darbo medžiagų. Puslaidininkinės medžiagos, iš kurių gaminami lazeriai, yra galio arsenidas, indžio arsenidas, indžio antimonidas, kadmio sulfidas, kadmio teluridas, švino selenidas, švino teluridas, aliuminio galio arsenidas, indžio fosforas, arsenas ir kt. Yra trys pagrindiniai puslaidininkių sužadinimo būdai. lazeriai, būtent elektrinio įpurškimo tipo, optinio siurblio tipo ir didelės energijos elektronų pluošto sužadinimo tipo. Daugumos puslaidininkinių lazerių sužadinimo metodas yra elektrinis įpurškimas, ty į Pn sandūrą įvedama tiesioginė įtampa, kad būtų generuojama stimuliuojama emisija sankryžos plokštumos srityje, tai yra, į priekį nukreiptas diodas. Todėl puslaidininkiniai lazeriai dar vadinami puslaidininkiniais lazeriniais diodais. Puslaidininkiams, kadangi elektronai pereina tarp energijos juostų, o ne atskirų energijos lygių, perėjimo energija nėra apibrėžta reikšmė, todėl puslaidininkinių lazerių išėjimo bangos ilgis pasklinda plačiame diapazone. diapazone. Jų skleidžiamų bangų ilgiai yra nuo 0,3 iki 34 ¼m. Bangos ilgio diapazonas nustatomas pagal naudojamos medžiagos energijos juostos tarpą. Labiausiai paplitęs yra AlGaAs dvigubas heterojunkcinis lazeris, kurio išėjimo bangos ilgis yra 750–890 nm.
Puslaidininkinių lazerių gamybos technologija buvo pritaikyta nuo difuzijos metodo iki skystosios fazės epitaksijos (LPE), garų fazės epitaksijos (VPE), molekulinio pluošto epitaksijos (MBE), MOCVD metodo (metalo organinių junginių nusodinimo garais), cheminio pluošto epitaksijos (CBE)). ir įvairūs jų deriniai. Didžiausias puslaidininkinių lazerių trūkumas yra tas, kad lazerio našumą labai veikia temperatūra, o spindulio divergencijos kampas yra didelis (dažniausiai nuo kelių laipsnių iki 20 laipsnių), todėl jo kryptingumas, monochromatiškumas ir koherentiškumas yra prastas. Tačiau sparčiai tobulėjant mokslui ir technologijoms, puslaidininkinių lazerių tyrimai žengia į priekį gylio kryptimi, o puslaidininkinių lazerių našumas nuolat gerėja. Puslaidininkinė optoelektroninė technologija, kurios branduolys yra puslaidininkinis lazeris, padarys didesnę pažangą ir vaidins didesnį vaidmenį XXI amžiaus informacinėje visuomenėje.

Kaip veikia puslaidininkiniai lazeriai?
A puslaidininkinis lazerisyra koherentinis spinduliuotės šaltinis. Kad jis generuotų lazerio šviesą, turi būti įvykdytos trys pagrindinės sąlygos:
1. Stiprinimo sąlyga: nustatomas nešėjų inversinis pasiskirstymas lazerio terpėje (aktyvioje srityje). Puslaidininkyje energijos juosta, vaizduojanti elektronų energiją, yra sudaryta iš energijos lygių, kurie yra artimi ištisiniam. Todėl puslaidininkyje, norint pasiekti populiacijos inversiją, elektronų skaičius didelės energijos būsenos laidumo juostos apačioje turi būti daug didesnis nei skylių skaičius mažos energijos valentinės juostos viršuje. būsena tarp dviejų energijos juostų regionų. Heterosakcija yra nukreipta į priekį, kad į aktyvųjį sluoksnį būtų įpurškiami būtini nešikliai, kurie sužadintų elektronus iš mažesnės energijos valentinės juostos į didesnės energijos laidumo juostą. Stimuliuota emisija atsiranda, kai daug elektronų populiacijos inversijos būsenoje rekombinuojasi su skylėmis.
2. Norint iš tikrųjų gauti koherentinę stimuliuojamą spinduliuotę, stimuliuojama spinduliuotė turi būti kelis kartus grąžinama atgal į optinį rezonatorių, kad susidarytų lazerio virpesiai. Lazerinį rezonatorių sudaro natūralus puslaidininkinio kristalo kaip veidrodžio skilimo paviršius, dažniausiai šviesos nespinduliuojantis galas yra padengtas didelio atspindžio daugiasluoksne dielektrine plėvele, o šviesą skleidžiantis paviršius yra padengtas anti- atspindžio plėvelė. F-p ertmės (Fabry-Perot ertmės) puslaidininkiniam lazeriui F-p ertmę galima lengvai suformuoti naudojant natūralią kristalo skilimo plokštumą, statmeną p-n sandūros plokštumai.
3. Kad susidarytų stabilus svyravimas, lazerinė terpė turi turėti pakankamai didelį stiprinimą, kad kompensuotų rezonatoriaus sukeltus optinius nuostolius ir nuostolius, atsirandančius dėl lazerio išėjimo iš ertmės paviršiaus ir pan., ir nuolat. padidinti optinį lauką ertmėje. Tam reikia pakankamai stiprios srovės įpurškimo, tai yra, yra pakankamai populiacijos inversijos, kuo didesnis populiacijos inversijos laipsnis, tuo didesnis gaunamas padidėjimas, tai yra, turi būti įvykdyta tam tikra srovės slenkstinė sąlyga. Kai lazeris pasiekia slenkstį, tam tikro bangos ilgio šviesa gali rezonuoti ertmėje ir būti sustiprinta, o galiausiai suformuoti lazerį ir nuolat skleisti. Galima pastebėti, kad puslaidininkiniuose lazeriuose elektronų ir skylių dipolio perėjimas yra pagrindinis šviesos emisijos ir šviesos stiprinimo procesas. Kalbant apie naujus puslaidininkinius lazerius, šiuo metu pripažįstama, kad kvantiniai šuliniai yra pagrindinė puslaidininkinių lazerių kūrimo varomoji jėga. Ar kvantiniai laidai ir kvantiniai taškai gali išnaudoti visas kvantinių efektų galimybes, buvo pratęstas iki šio amžiaus. Mokslininkai bandė panaudoti savarankiškai organizuotas struktūras, kad įvairiose medžiagose būtų sukurti kvantiniai taškai, o GaInN kvantiniai taškai buvo naudojami puslaidininkiniuose lazeriuose.

Puslaidininkinių lazerių raidos istorija
Thepuslaidininkiniai lazeriaiseptintojo dešimtmečio pradžios buvo homojunkciniai lazeriai, kurie buvo pn sandūros diodai, pagaminti iš vienos medžiagos. Esant didelės srovės įpurškimui į priekį, elektronai nuolat įpurškiami į p sritį, o skylės nuolat įpurškiamos į n sritį. Todėl nešiklio pasiskirstymo inversija realizuojama pradinėje pn sandūros išeikvojimo srityje. Kadangi elektronų migracijos greitis yra didesnis nei skylių, aktyviojoje srityje vyksta spinduliavimas ir rekombinacija, skleidžiama fluorescencija. lazeris, puslaidininkinis lazeris, galintis veikti tik impulsais. Antrasis puslaidininkinių lazerių kūrimo etapas yra heterostruktūrinis puslaidininkinis lazeris, sudarytas iš dviejų plonų puslaidininkinių medžiagų sluoksnių, turinčių skirtingus juostos tarpus, pvz., GaAs ir GaAlAs, o pirmasis heterostruktūrinis lazeris pasirodė (1969). Vienintelis heterojunkcinis įpurškimo lazeris (SHLD) yra GaAsP-N sankryžos p srityje, kad sumažintų slenkstinį srovės tankį, kuris yra eilės tvarka mažesnis nei homojunkcinio lazerio, tačiau vienas heterojunkcinis lazeris vis tiek negali. kambario temperatūra.
Nuo aštuntojo dešimtmečio pabaigos puslaidininkiniai lazeriai akivaizdžiai vystėsi dviem kryptimis: vienas yra informacinis lazeris, skirtas informacijai perduoti, o kitas yra galios lazeris, skirtas optinei galiai padidinti. Varomas tokių programų kaip pumpuojami kietojo kūno lazeriai, didelės galios puslaidininkiniai lazeriai (didesnė nei 100 mw nuolatinė išėjimo galia ir didesnė nei 5 W impulsinė galia gali būti vadinami didelės galios puslaidininkiniais lazeriais).
Dešimtajame dešimtmetyje buvo padarytas lūžis, pasižymėjęs ženkliai padidinta puslaidininkinių lazerių išėjimo galia, kilovatų lygio didelės galios puslaidininkinių lazerių komercializacija užsienyje, o vietinių pavyzdinių prietaisų galia siekė 600 W. Lazerio juostos išplėtimo požiūriu, pirmiausia buvo plačiai naudojami infraraudonieji puslaidininkiniai lazeriai, o po to 670 nm raudoni puslaidininkiniai lazeriai. Tada, atsiradus 650 nm ir 635 nm bangų ilgiams, vienas po kito sėkmingai buvo sukurti ir mėlynai žalios bei mėlynos šviesos puslaidininkiniai lazeriai. Taip pat kuriami 10 mW galios violetiniai ir net ultravioletiniai puslaidininkiniai lazeriai. Dešimtojo dešimtmečio pabaigoje sparčiai vystėsi paviršių spinduliuojantys lazeriai ir vertikalios ertmės paviršių spinduliuojantys lazeriai, todėl buvo svarstomos įvairios superlygiagrečios optoelektronikos pritaikymo galimybės. 980 nm, 850 nm ir 780 nm įrenginiai jau yra praktiški optinėse sistemose. Šiuo metu didelės spartos Gigabit Ethernet tinkluose naudojami vertikalios ertmės paviršiaus spinduliuojantys lazeriai.

Puslaidininkinių lazerių taikymas
Puslaidininkiniai lazeriai yra lazerių klasė, kuri subręsta anksčiau ir progresuoja greičiau. Dėl plataus bangos ilgio diapazono, paprastos gamybos, mažų sąnaudų ir lengvos masinės gamybos, taip pat dėl ​​mažo dydžio, lengvo svorio ir ilgo naudojimo, jų veislės ir pritaikymas sparčiai vystosi. Platus asortimentas, šiuo metu daugiau nei 300 rūšių.

1. Taikymas pramonėje ir technologijose
1) Šviesolaidžio ryšys.Puslaidininkinis lazerisyra vienintelis praktiškas šviesos šaltinis optinio pluošto ryšio sistemai, o optinio pluošto ryšys tapo pagrindine šiuolaikinių ryšių technologijų srove.
2) Prieiga prie disko. Puslaidininkiniai lazeriai buvo naudojami optinio disko atmintyje, o didžiausias jų privalumas yra tai, kad jie saugo daug garso, teksto ir vaizdo informacijos. Mėlynos ir žalios spalvos lazerių naudojimas gali žymiai pagerinti optinių diskų saugojimo tankį.
3) Spektrinė analizė. Tolimųjų infraraudonųjų spindulių derinami puslaidininkiniai lazeriai buvo naudojami atliekant aplinkos dujų analizę, stebint oro taršą, automobilių išmetamąsias dujas ir kt. Jie gali būti naudojami pramonėje garų nusodinimo procesui stebėti.
4) Optinis informacijos apdorojimas. Puslaidininkiniai lazeriai buvo naudojami optinėse informacinėse sistemose. Dviejų dimensijų paviršių skleidžiančių puslaidininkinių lazerių matricos yra idealūs šviesos šaltiniai optinėms lygiagrečioms apdorojimo sistemoms, kurios bus naudojamos kompiuteriuose ir optiniuose neuroniniuose tinkluose.
5) Lazerinis mikrogamyba. Didelės energijos itin trumpų šviesos impulsų, generuojamų Q perjungiamų puslaidininkinių lazerių pagalba, integriniai grandynai gali būti pjaustomi, perforuojami ir kt.
6) Lazerinis signalas. Puslaidininkiniai lazeriniai signalai yra plačiai naudojami, įskaitant įsilaužimo signalizaciją, vandens lygio signalizaciją, transporto priemonių atstumo signalizaciją ir kt.
7) Lazeriniai spausdintuvai. Didelės galios puslaidininkiniai lazeriai buvo naudojami lazeriniuose spausdintuvuose. Naudojant mėlynus ir žalius lazerius, galima žymiai pagerinti spausdinimo greitį ir skiriamąją gebą.
8) Lazerinis brūkšninių kodų skaitytuvas. Puslaidininkiniai lazeriniai brūkšninių kodų skaitytuvai plačiai naudojami prekiaujant prekėmis, tvarkant knygas ir archyvus.
9) Siurbliniai kietojo kūno lazeriai. Tai svarbus didelės galios puslaidininkinių lazerių taikymas. Naudojant jį pakeičiant originalią atmosferos lempą, galima sukurti kietojo kūno lazerio sistemą.
10) Didelės raiškos lazerinis televizorius. Apskaičiuota, kad artimiausioje ateityje puslaidininkiniai lazeriniai televizoriai be katodinių spindulių vamzdžių, kuriuose naudojami raudoni, mėlyni ir žali lazeriai, sunaudos 20 procentų mažiau energijos nei esami televizoriai.

2. Taikymas medicinos ir gyvybės mokslų tyrimuose
1) Lazerinė chirurgija.Puslaidininkiniai lazeriaibuvo naudojami minkštųjų audinių abliacijai, audinių surišimui, koaguliacijai ir garinimui. Ši technika plačiai naudojama bendrojoje chirurgijoje, plastinėje chirurgijoje, dermatologijoje, urologijoje, akušerijoje ir ginekologijoje ir kt.
2) Lazerinė dinaminė terapija. Šviesai jautrios medžiagos, turinčios giminingumą navikui, selektyviai kaupiamos vėžiniame audinyje, o vėžinis audinys apšvitinamas puslaidininkiniu lazeriu, sukuriant reaktyviąsias deguonies rūšis, siekiant, kad jis nekrozuotų nepažeidžiant sveiko audinio.
3) Gyvybės mokslų tyrimai. Naudojant „optinį pincetą“.puslaidininkiniai lazeriai, galima užfiksuoti gyvas ląsteles ar chromosomas ir perkelti jas į bet kurią padėtį. Jis buvo naudojamas skatinti ląstelių sintezę ir ląstelių sąveikos tyrimus, taip pat gali būti naudojamas kaip diagnostikos technologija renkant teismo medicinos įrodymus.