Čo je to polovodičový laser?（časť Ⅰ）

Od vynálezu prvéhoPolovodičové laseryVo svete v roku 1962 prešiel polovodičový laser veľkými zmenami, ktoré výrazne podporili rozvoj ďalšej vedy a techniky a je považovaný za jeden z dôležitých vynálezov 20. storočia. V posledných desaťročiach je vývoj polovodičového lasera rýchlejší a stal sa najrýchlejšie sa rozvíjajúcou laserovou technológiou na svete. Aplikácia polovodičových laserov pokrýva celú oblasť optoelektroniky a stala sa základnou technológiou vedy o optoelektronike. Vďaka výhodám malých rozmerov, jednoduchej štruktúry, nízkej vstupnej energie, dlhej životnosti, ľahkej modulácie a nízkej ceny je polovodičový laser široko používaný v oblasti optoelektroniky a je vysoko cenený krajinami po celom svete.

1. Polovodičové lasery

Polovodičový laser je druh miniaturizovaného lasera, ktorý sa skladá z Pn prechodu alebo kolíka polovodičového materiálu s priamou medzerou v pásme. Existujú desiatky druhov polovodičových laserových látok. V súčasnosti sú polovodičovými materiálmi, ktoré sa vyrábajú do laserov, arzenid gália, arzenid india, antimonid india, sulfid kademnatý, telurid kadmia, selenid olovnatý, telurid olova, hlinito-gallium arzén, indium fosfor, arzen a tak ďalej. Existujú tri druhy excitačných režimov polovodičového lasera, menovite elektrické vstrekovanie, optická pumpa a vysokoenergetické budenie elektrónovým lúčom. Budiaci režim väčšiny polovodičových laserov je elektrická injekcia, to znamená, že na prechod Pn sa privádza dopredné napätie na generovanie stimulovanej emisie v oblasti roviny spojenia, to znamená, že ide o diódu s predpätím vpred. Preto sa polovodičový laser nazýva aj polovodičová laserová dióda. V prípade polovodičov, keďže elektróny prechádzajú medzi energetickými pásmami a nie medzi jednotlivými energetickými úrovňami, prechodová energia nie je definitívna hodnota, čo spôsobuje, že výstupná vlnová dĺžka polovodičového lasera sa šíri v širokom rozsahu. Vyžarujú vlnové dĺžky v rozsahu od 0,3 do 34 μm. Rozsah vlnových dĺžok závisí od zakázaného pásma použitého materiálu. Bežný laser s dvojitým heteroprechodom AlGaAs má výstupnú vlnovú dĺžku 750 ~ 890 nm.

Technológia výroby polovodičových laserov má skúsenosti od difúznej metódy po epitaxiu v kvapalnej fáze (LPE), epitaxiu v plynnej fáze (VPE), epitaxiu molekulárneho lúča (MBE), metódu MOCVD (depozícia organických kovov z pár), epitaxiu chemického lúča (CBE) a ich rôzne kombinácia rôznych procesov. Nevýhodou polovodičového lasera je, že výkon lasera je ovplyvnený teplotou a uhol divergencie lúča je veľký (vo všeobecnosti medzi niekoľkými stupňami a 20 stupňami), takže má nízku smerovosť, monochromatické vlastnosti a koherenciu. Ale s rýchlym rozvojom vedy a techniky výskum dpss laserov napreduje v smere hĺbky a výkon polovodičového lasera sa neustále zlepšuje. Technológia polovodičovej optoelektroniky s polovodičovým laserom ako jadrom dosiahne väčší pokrok a bude hrať väčšiu úlohu v informačnej spoločnosti 21. storočia.

2. Princíp činnosti polovodičových laserov

Polovodičový laser je zdrojom koherentného žiarenia. Na vytvorenie lasera musia byť splnené tri základné podmienky.

①Podmienka zisku: je stanovená inverzná distribúcia nosičov náboja v budiacom médiu (aktívna oblasť). V polovodičoch je energia elektrónov reprezentovaná sériou takmer nepretržitých energetických hladín. To sa dosiahne aplikáciou predpätia na homogénnu alebo heteroprechodku a vstreknutím potrebných nosičov náboja do aktívnej vrstvy na excitáciu elektrónov z nižšieho valenčného pásma do vyššieho vodivého pásma. Stimulovaná emisia nastáva, keď sa veľký počet elektrónov v stave obrátenej populácie častíc rekombinuje s dierami.

② na skutočné získanie koherentného excitovaného žiarenia je potrebné vytvoriť excitované žiarenie v optickom rezonátore, aby sa získala viacnásobná spätná väzba a vytvorila sa laserová oscilácia, rezonátor lasera je tvorený prirodzeným štiepnym povrchom polovodičového kryštálu ako zrkadlom, zvyčajne na konci ľahkého pokovovania na vysoko inverznom viacvrstvovom dielektrickom filme a hladkého povrchového pokovovania na redukovanom inverznom filme. Pre polovodičový laser s dutinou Fp (Fabry-Perotova dutina) môže byť dutina FP vhodne skonštruovaná prirodzenou rovinou štiepenia kolmou na rovinu spojenia pn kryštálu.

③Na vytvorenie stabilnej oscilácie musí byť laserové médium schopné poskytnúť dostatočný zisk na kompenzáciu optickej straty spôsobenej rezonančnou dutinou a výstupom lasera z povrchu dutiny a neustále zvyšovať optické pole v dutine. To si vyžaduje dostatočne silné prúdové vstrekovanie, teda dostatočnú inverziu počtu častíc. Čím vyšší je stupeň inverzie počtu častíc, tým väčší je zisk, to znamená, že musí byť splnená určitá podmienka aktuálneho prahu. Keď laser dosiahne prahovú hodnotu, svetlo so špecifickou vlnovou dĺžkou môže rezonovať v dutine a môže sa zosilniť a nakoniec vytvorí laser a bude vystupovať nepretržite. Je vidieť, že dipólový prechod elektrónu a diery je základným procesom emisie svetla a zosilnenia svetla v polovodičových laseroch. Pre nový polovodičový laser sa všeobecne uznáva, že kvantová studňa je základnou hnacou silou pre vývoj laserov. Otázka, či kvantové drôty a bodky dokážu naplno využiť kvantové efekty, sa rozšírila až do tohto storočia. Vedci experimentovali so samoorganizujúcimi sa štruktúrami na vytváranie kvantových bodiek v rôznych materiáloch a kvantové bodky GaInN boli použité v polovodičových laseroch.

Prenos do častiⅡ rozumie svojej histórii a aplikácii

Kontaktné informácie:

Ak máte nejaké nápady, neváhajte sa s nami porozprávať. Bez ohľadu na to, kde sú naši zákazníci a aké sú naše požiadavky, budeme nasledovať náš cieľ poskytovať našim zákazníkom vysokú kvalitu, nízke ceny a najlepšie služby.