Darbības princips un galvenie veidipusvadītāju lāzers
PusvadītājsLāzerdiodes, pateicoties to augstajai efektivitātei, miniaturizācijai un viļņu garuma daudzveidībai, tiek plaši izmantoti kā optoelektroniskās tehnoloģijas galvenie komponenti tādās jomās kā komunikācija, medicīniskā aprūpe un rūpnieciskā pārstrāde. Šajā rakstā sīkāk aprakstīts pusvadītāju lāzeru darbības princips un veidi, kas ir ērti lielākajai daļai optoelektronikas pētnieku, lai izvēlētos pareizo atsauci.
1. Pusvadītāju lāzeru gaismas izstarojošais princips
Pusvadītāju lāzeru luminiscences princips ir balstīts uz pusvadītāju materiālu joslu struktūru, elektroniskajām pārejām un stimulēto emisiju. Pusvadītāju materiāli ir materiālu veids ar joslas spraugu, kas ietver valences joslu un vadītspējas joslu. Kad materiāls atrodas pamatstāvoklī, elektroni aizpilda valences joslu, bet vadītspējas joslā nav elektronu. Kad ārēji tiek pielikts noteikts elektriskais lauks vai tiek injicēta strāva, daži elektroni pāriet no valences joslas uz vadītspējas joslu, veidojot elektronu-caurumu pārus. Enerģijas atbrīvošanas procesā, kad šos elektronu-caurumu pārus stimulē ārējais starojums, rodas fotoni, t. i., lāzeri.
2. Pusvadītāju lāzeru ierosināšanas metodes
Pusvadītāju lāzeriem ir trīs galvenās ierosināšanas metodes: elektriskās iesmidzināšanas tipa, optiskā sūkņa tipa un augstas enerģijas elektronu staru ierosināšanas tipa.
Elektriski injicēti pusvadītāju lāzeri: parasti tie ir pusvadītāju virsmas savienojuma diodes, kas izgatavotas no tādiem materiāliem kā gallija arsenīds (GaAs), kadmija sulfīds (CdS), indija fosfīds (InP) un cinka sulfīds (ZnS). Tos ierosina, injicējot strāvu gar tiešo nobīdi, radot stimulētu emisiju savienojuma plaknes apgabalā.
Optiski sūknējami pusvadītāju lāzeri: Parasti kā darba vielu izmanto N tipa vai P tipa pusvadītāju monokristālus (piemēram, GaAS, InAs, InSb utt.), unlāzerscitu lāzeru izstarotais starojums tiek izmantots kā optiski sūknēts ierosmes signāls.
Augstas enerģijas elektronu kūļa ierosināti pusvadītāju lāzeri: Parasti tie kā darba vielu izmanto N tipa vai P tipa pusvadītāju monokristālus (piemēram, PbS, CdS, ZhO utt.), un tos ierosina, no ārpuses ievadot augstas enerģijas elektronu kūli. Starp pusvadītāju lāzerierīcēm ar labāku veiktspēju un plašāku pielietojumu ir elektriski ievadāms GaAs diodu lāzers ar dubultu heterostruktūru.
3. Galvenie pusvadītāju lāzeru veidi
Pusvadītāju lāzera aktīvais apgabals ir fotonu ģenerēšanas un pastiprināšanas kodols, un tā biezums ir tikai daži mikrometri. Iekšējās viļņvadu struktūras tiek izmantotas, lai ierobežotu fotonu laterālo difūziju un palielinātu enerģijas blīvumu (piemēram, kores viļņvadi un apraktas heterosavienojumi). Lāzers izmanto siltuma izkliedētāja konstrukciju un izvēlas augstas siltumvadītspējas materiālus (piemēram, vara-volframa sakausējumu) ātrai siltuma izkliedei, kas var novērst viļņa garuma novirzi, ko izraisa pārkaršana. Atkarībā no to struktūras un pielietojuma scenārijiem pusvadītāju lāzerus var iedalīt šādās četrās kategorijās:
Malu izstarojošais lāzers (EEL)
Lāzers tiek izvadīts no šķelšanās virsmas mikroshēmas sānos, veidojot elipsveida punktu (ar novirzes leņķi aptuveni 30° × 10°). Tipiski viļņu garumi ir 808 nm (sūknēšanai), 980 nm (sakariem) un 1550 nm (šķiedru sakariem). To plaši izmanto lieljaudas rūpnieciskajā griešanā, šķiedru lāzera sūknēšanas avotos un optisko sakaru mugurkaula tīklos.
2. Vertikāls dobuma virsmas emitējošais lāzers (VCSEL)
Lāzers tiek izstarots perpendikulāri mikroshēmas virsmai ar apļveida un simetrisku staru (diverģences leņķis <15°). Tas integrē izkliedētu Brega reflektoru (DBR), novēršot nepieciešamību pēc ārēja reflektora. To plaši izmanto 3D uztveršanā (piemēram, mobilo tālruņu sejas atpazīšanā), īsa darbības rādiusa optiskajā komunikācijā (datu centros) un LiDAR.
3. Kvantu kaskādes lāzers (QCL)
Balstoties uz elektronu kaskādes pāreju starp kvantu Velsa spektriem, viļņa garums aptver vidējo līdz tālo infrasarkano staru diapazonu (3–30 μm), bez nepieciešamības veikt populācijas inversiju. Fotoni tiek ģenerēti, izmantojot starpjoslu pārejas, un tos parasti izmanto tādās lietojumprogrammās kā gāzu uztveršana (piemēram, CO₂ noteikšana), terahercu attēlveidošana un vides monitorings.
Noskaņojamā lāzera ārējās dobuma konstrukcija (režģis/prizma/MEMS spogulis) var sasniegt viļņa garuma regulēšanas diapazonu ±50 nm ar šauru līnijas platumu (<100 kHz) un augstu sānu režīma noraidīšanas koeficientu (>50 dB). To parasti izmanto tādās lietojumprogrammās kā blīva viļņu garuma dalīšanas multipleksēšana (DWDM) komunikācija, spektrālā analīze un biomedicīniskā attēlveidošana. Pusvadītāju lāzeri tiek plaši izmantoti sakaru lāzerierīcēs, digitālajās lāzeru atmiņas ierīcēs, lāzera apstrādes iekārtās, lāzera marķēšanas un iepakošanas iekārtās, lāzera salikšanā un drukāšanā, lāzera medicīnas iekārtās, lāzera attāluma un kolimācijas noteikšanas instrumentos, lāzera instrumentos un iekārtās izklaidei un izglītībai, lāzera komponentos un detaļās utt. Tie pieder pie lāzeru nozares galvenajām sastāvdaļām. Pateicoties plašajam pielietojumu klāstam, ir daudz lāzeru zīmolu un ražotāju. Izvēle jāveic, pamatojoties uz konkrētām vajadzībām un pielietojuma jomām. Dažādiem ražotājiem ir atšķirīgi pielietojumi dažādās jomās, un ražotāju un lāzeru izvēle jāveic atbilstoši faktiskajam projekta pielietojuma laukam.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 5. novembris